Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

Stella981
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Linux内核调用SPI驱动_实现OLED显示功能

0. 导语

进入Linux的世界,发现真的是无比的有趣,也发现搞Linux驱动从底层嵌入式搞起真的是很有益处。我们在单片机、DSP这些无操作系统的裸机中学习了这些最基本的驱动,然后用过GPIO时序去模拟、然后用那个芯片平台的外设去配置参数,到Linux的世界,对于底层的时序心中有数,做起来就容易很多。学习的过程就是不断的给自己出难题,然后去解决他,在未来工程里面遇到这个问题,就瞬间可以解决了,这就是经验的积累吧。

Linux驱动目录,包含了底层写好的SPI驱动,我们需要想办法调用人家写好的SPI驱动,就不需要写IO口模拟SPI时序了。在网络上,对于SPI应用级的驱动倒是很多,平台级驱动很少,而我们想把平台级驱动二次包装在我们的字符设备驱动中,对于用户,无需考虑SPI通信写协议还是写命令,只需要使用read和write函数写显示的内容就好了。

基于这样的想法,我们找了一个使用SPI协议的从器件来实现,我手里面有OLED设备,是支持SPI协议在OLED显示面板上显示字符的。所以搭建一个实验平台,做一个OLED的demo,未来所有的从SPI设备都遵循这个框架(而且我们在这个驱动中加入 了内核机制的驱动的自旋锁、互斥体的内核操作)。

实验平台如下:

  • ARM板子: 友善之臂Nano-T3 (CortexA53架构, Samsung s5c6818)
  • **ARM的Linux系统:**Ubuntu 16.04.2 LTS
  • **编译调试Linux:**Ubuntu 16.04.3 LTS amd64版本
  • **编译器:**arm-cortexa9-linux-gnueabihf-gcc (64位版本)
  • **从设备:**OLED (SPI模式)

Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

1. 驱动架构模型

Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

总体驱动架构模型如图所示,对于OLED驱动的表述,主要包含两个方面,一个是OLED这个传感器的抽象;一个是,misc字符驱动的注册,里面有read和write函数,供用户接口调用,(在read和write函数里面使用OLED设备表述里面的master控制oled的行为就好了,比如显示,清除,复位之类的)。

oled设备表述,为OLED设备的抽象,里面包含对硬件的描述和SPI的描述,还有对于写时序的时候使用自旋锁和互斥体对时序进行的保护,master为对oled设备的基本操作,包含复位,写字节等等。

在本博客中最重要的就是SPI平台驱动的使用,问题也非常的清晰,我们如何使用linux内核驱动里面写好的spi,参考Linux SPI API文档里面,那么复杂的结构体,哪些是在驱动中要使用,哪些是在应用级程序中使用的。网络上的资料大部分都是应用级的,没有讲述在字符驱动中二级注册spi驱动的,而我们对于OLED这样的SPI设备,则需要在驱动中调用,让用户无需关心任何SPI的调用。

在驱动模型中,master操作结构体里面,oled_write_byte这样的函数里面则需要调用系统级SPI,问题就非常明确,就在写byte的时候使用SPI。

那么我们就需要在注册完字符设备的时候,向内核注册spi,然后我们使用该SPI对OLED操作。

2. linux SPI驱动的注册

Linux Drivers目录具备一定的通用性也具备各个架构区别不同,在包含头文件的时候,要包含

  1. 通用性的linux spi文件 #include <linux/spi/spi.h>
  2. mach级特性文件#include <mach/slsi-spi.h>

同时也要关注:

  1. plat级的device.c文件,里面包含了spi_board信息的模板,用这个可以省去了很多麻烦。

我们使用的oled_hw_t, 图上的结构(OLED->hw)的具体定义,里面定义了io口的编号和spi的各种机制,注意谁是指针,谁是实体。

struct oled_hw_t 
{
    unsigned int res_io_num;
    unsigned int dc_io_num;
    struct spi_transfer        spi_trans;
    struct spi_message        spi_msg;
    struct spi_driver        *spi_drv;
    struct spi_device        *spi_dev;
    struct spi_master        *spi_master_bus;
};

我需要定义以下机制:

  • spi_driver

    spi_driver会向内核申请总线处理的权限,当我们加载驱动的时候,在ARM机器的linux上的/sys/bus/spi/drivers目录下会看到申请SPI驱动内核的名字。Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

    static const struct spi_device_id oled_spi_id[] =
    {
            {“oledspi”, 1},
            {},
    };
    static struct spi_driver sp6818_spi_driver = 
    {
            .driver             =     
            {
                    .name        =    "oled_spi",
                    .bus        =    &spi_bus_type,
                    .owner      =     THIS_MODULE,
            },
            .probe                =    oled_bus_spi_probe,
            .remove             =     __devexit_p(oled_bus_spi_remove),
            .suspend             =     oled_bus_spi_suspend,
            .id_table            =    oled_spi_id,
    };
    MODULE_DEVICE_TABLE( spi, oled_spi_id );
    

    按照spi_driver驱动的格式进行,补充好probe和remove,suspend函数,但是这里存在一个问题,当我们应该spi_register_driver的时候,正常应该执行probe函数里面的内容,但是这个不执行,怀疑是因为二级包装问题,我们的主调还是使用misc驱动的字符设备 __init标示在 misc的初始化函数上,而导致不进入spi_driver的probe函数。

  • spi_device

    spi_device和spi_driver是成对出现的,在spi_driver注册完之后,则需要对spi_deivce进行配置,我们首先要声明一个spi_device,一会儿借助linux 的drivers 里面的platform级的deivce.c文件中的spi_board来注册我们的spi_device。

    定义spi_device驱动,这里面的配置信息可以瞎填,我们使用spi_board中的配置信息会覆盖这些信息。

    static struct spi_device sp6818_spi_device = 
    {
            .mode                =    SPI_MODE_3,
            .bits_per_word        =    16,
            .chip_select        =    SPI_CS_HIGH,
            .max_speed_hz        =    100000,
    };
    

    然后现在的工作就是如何spi_device和我们刚才spi_driver进行绑定了。

    定义下面的信息:

    static struct s3c64xx_spi_csinfo sp6818_csi = 
    {
            .line               =     OLED_CS_IO,
            .set_level          =     gpio_set_value,
            .fb_delay           =     0x2,
    };
    
    struct spi_board_info sp6818_board_info = 
    {
            .modalias           =     "oled",
            .platform_data      =     NULL,
            .max_speed_hz       =     10 * 1000 * 1000,
            .bus_num            =     0,
            .chip_select        =     2,
            .mode               =     SPI_MODE_3,
            .controller_data    =     &sp6818_csi,
    };
    

    这个模板就定义在platform级文件夹的device.c里面,我们按照模板的定义方式在我们的驱动文件里面也定义一个,在s3c64xx_spi_csinfo sp6818_csi中定义的是片选信号的IO口,这个IO口根据硬件原理图来的,然后定义spi_board_info结构体,这些都是为spi_device做准备的,spi的配置信息也由此写入。

    Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

    按照这个顺序进行:程序就如同下面的参考,后面会给出完成程序。

    static void oled_module_hw_init( OLED *self )
    {
        int ret,i;
        struct spi_master *master;
        struct spi_device *spi;
    
        self->hw.res_io_num = OLED_RES_IO;
        self->hw.dc_io_num    = OLED_DC_IO;
        printk( DRV_NAME "\tregister spi driver...\n" );
        self->hw.spi_drv = &sp6818_spi_driver;
        ret = spi_register_driver( self->hw.spi_drv );
        if ( ret < 0 ) {
            printk( DRV_NAME "\terror: spi driver register failed" );
        }
        printk( DRV_NAME "\tmaster blind spi bus.\n" );
        master = spi_busnum_to_master( 0 );
        master->num_chipselect = 4;
        if ( !master ) {
            printk( DRV_NAME "\terror: master blind spi bus.\n" );
            ret = -ENODEV;
            return ret;
        }
        printk( DRV_NAME "\tnew spi device...\n" );
        spi =    spi_new_device( master, &sp6818_board_info );
        if ( !spi ) {
            printk( DRV_NAME "\terror: spi occupy.\n" );        
            return -EBUSY;
        }
        self->hw.spi_master_bus    = master;
        self->hw.spi_dev = spi;
        printk( DRV_NAME "\thw init succussful...\n" );
    }
    

到此,完成,spi的注册。

spi_device的注册里面,会在ARM上面的Linux的/sys/bus/spi/devices下面出现我们注册的device设备,如图:

Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

spi0.2就是我们所注册的device设备,这个命名就和我们的spi_board_info有关系了,

Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

如果,bus_num = 5, chip_select = 20, 那么注册的device就是spi5.20了。这里还有个坑,就是片选信号的数值大小和master里面的片选num的问题,linux的spi api要求,master的num-chipselect必须大于 spi_board_info里面chip_select的数值。你也看到上面初始化程序,为什么master->num_chipselect = 4; 这个语句了

3. SPI 的使用

在驱动里面对于spi的使用就非常简单了。例如我们oled的write_byte函数:

static void oled_module_write_byte( OLED* self,                \ 
                                    unsigned int dat,         \
                                    enum data_type_t type)
{
    int status;
    unsigned int write_buffer[1];

    if ( type == ENUM_WRITE_TYPE_CMD ) 
        self->master->set_dc_low( self );
    else 
        self->master->set_dc_high( self );
    write_buffer[0] = dat;
    write_buffer[1] = 0xFF;
    status = spi_write( self->hw.spi_dev, write_buffer, 1 );
    if ( status  )
        dev_err( &self->hw.spi_dev->dev, "%s error %d\n", __FUNCTION__, status );
}

使用spi_write函数就好了。

Linux内核调用SPI平台级驱动_实现OLED的显示功能

4. 结语

探索Linux SPI真是很费劲,这些花了好多时间,经历了无数次的实验,因为是驱动,经常在调试过程中出现暴栈、指针乱指,这些对于Linux内核都是毁灭性的错误,只能重启ARM Linux。光重启Linux就好几百次。不过总算是有成果,对于Linux驱动的学习还在进行,下次可能要实验I2C的平台驱动,找到规律和不同,再加上一些内核的操作,比如并发和IO等,在学习中成长。

源代码

Github地址:https://github.com/lifimlt/carlosdriver

见 oled.c oled.h 和oledfont.h三个文件

参考文献:

[1] Linux org, Serial Peripheral Interface (SPI),

[2] 郝过, Linux设备驱动模型SPI之二, 2016年2月28日

[3] invo-tronics , SPI Driver for Linux Based Embedded System, 2014年9月30日

[4] Linux学习之路, spi驱动框架全面分析,从master驱动到设备驱动, 2016年6月22日

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