Передача и прием одного байта данных по SPI

uint8_t SPI_ReadByte(uint8_t data)
{
uint8_t report;
SPI_PORTX &= ~(1< SPDR = data;
while(!(SPSR & (1< report = SPDR;
SPI_PORTX |= (1< return report;
}

Передача нескольких байтов данных по SPI
*data – указатель на массив передаваемых данных, а num – размерность массива

void SPI_WriteArray(uint8_t num, uint8_t *data)
{
SPI_PORTX &= ~(1< while(num--){
SPDR = *data++;
while(!(SPSR & (1< }
SPI_PORTX |= (1<}

//Пример использования:
uint8_t buf = {12, 43, 98};

…
SPI_WriteArray(3, buf);

Передачи и прием нескольких байтов данных по SPI
*data – указатель на массив передаваемых данных, а num – размерность массива.
Принятые данные будут сохраняться в том же массиве.

void SPI_ReadArray(uint8_t num, uint8_t *data)
{
SPI_PORTX &= ~(1< while(num--){
SPDR = *data;
while(!(SPSR & (1< *data++ = SPDR;
}
SPI_PORTX |= (1<}

Файлы

Простой SPI драйвер, в котором сведены все описанные выше функции -

SPI в Arduino- это один из основных протоколов для обмена данными между платой ардуино и подключенными устройствами. Вместе с I2C и UART этот протокол часто используется для многих типов периферийных устройств, поэтому знание принципов работы SPI необходимо любому инженеру-ардуинщику. В этой статье мы коротко рассмотрим основные принципы, схему взаимодействия и способ подключения SPI датчиков и экранов к Arduino.

SPI – это широко применяемый протокол передачи данных между микроконтроллером (Master) и периферийными устройствами (Slave). В наших проекта в качестве Master чаще всего используется плата Arduino. Интерфейс SPI был придуман и использовался компанией Motorola, но со временем стал отраслевым стандартом. Основным плюсом работы с этим интерфейсом считается высокая скорость и возможность подключения нескольких устройств на одной шине данных.

Выводы и контакты SPI

Связь по интерфейсу SPI arduino происходит между несколькими устройствами, которые расположены близко друг к другу. Платы Ардуино оснащены отдельными выводами для SPI. Сопряжение происходит при помощи четырех контактов:

• MOSI – по этой линии передается информация к Slave от Master.
• MISO – используется для передачи информации к Master от Slave.
• SCLK – создание тактовых импульсов для синхронной передачи данных.
• SS – выбор ведомого устройства.

Взаимодействие SPI устройств

Взаимодействие устройств начинается, когда на выход SS подается низкий уровень сигнала.

Перед началом работы нужно определить:

• С какого бита должен начинаться сдвиг – со старшего или с младшего. Регулируется порядок при помощи функции PI.setBitOrder().
• Определить уровень, на котором должна находиться линия SCK при отсутствии тактового импульса. Регулируется функцией SPI.setDataMode().
• Выбрать скорость передачи данных. Определяется функцией SPI.setClockDivider().

Следующим шагом будет определение, в каком режиме будет происходить передача информации. Выбор режима определяется такими показателями, как полярность и фаза тактового импульса. Если уровень низкий, записывается 0, высокий – 1. Всего существует 4 режима:

• Режим 0 – SPI_MODE0: полярность (CPOL) 0, фаза (CPHA) 0.
• Режим 1: полярность 0, фаза 1.
• Режим 2:полярность 1, фаза 0.
• Режим 3: полярность 1, фаза 1.

Изначально в Ардуино заложено, что данные передаются старшим битом вперед, но перед началом нужно уточнить это в документации. Продемонстрировать режимы можно на картинке.

Возможно два вида подключения в интерфейсе SPI: независимое и каскадное. В первом случае при подключении Master обращается к каждому Slave индивидуально, во втором случае подключение происходит по очереди, т.е. каскадно.

Подключение SPI к Ардуино

Для каждой модели Ардуино существую свои выводы для SPI. Эти выводы:

• Uno: MOSI соответствует вывод 11 или ICSP-4, MISO – 12 или ICSP-1, SCK – 13 или ICSP-3, SS (slave) – 10.
• Mega1280 или Mega2560: MOSI – 51 или ICSP-4, MISO – 50 или ICSP-1, SCK – 52 или ICSP-3, SS (slave) – 53.
• Leonardo: MOSI – ICSP-4, MISO –ICSP-1, SCK –ICSP-3.
• Due: MOSI – ICSP-4, MISO –ICSP-1, SCK –ICSP-3, SS (master) – 4, 10, 52.

Последний контроллер Arduino Due расширяет возможности пользователя и позволяет реализовать больше задач, чем на остальных микроконтроллерах. Например, можно автоматически управлять ведомым устройством и автоматически выбирать различные конфигурации (тактовая частота, режим и другие).

Библиотека SPI Arduino

Для работы на Ардуино создана отдельная библиотека, которая реализует SPI. Перед началом кода нужно добавить #include , чтобы включить библиотеку.

Основные функции:

• begin() и end() – включение и выключение работы. При инициализации на выход настраиваются линии SCLK, MOSI и SS, подавая низкий уровень на SCLK, MOSI и высокий на SS. Функция end() не меняет уровни линий, она нужна для выключения блока, связанного с интерфейсом, на плате Ардуино.
• setBitOrder(order) – установка порядка отправки битов информации (MSBFIRST – приоритет старшего бита, LSBFIRST – приоритет младшего бита).
• setClockDivider(divider) – установка делителей тактов основной частоты. Можно поставить делители 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128. Записывается следующим образом – SPI_CLOCK_DIVn, где n – выбранный делитель.
• setDataMode(mode) – выбор одного из четырех рабочих режимов.
• transfer(value) – осуществление передачи байта от ведущего устройства и возвращение байта, который принят от ведомого устройства.
• shiftIn(miso_pin, sclk_pin, bit_order) и shiftOut(mosi_pin, sclk_pin, order, value) – принятие и отправка данных, можно подключать к любым цифровым пинам, но перед этим нужно самостоятельно их настроить.

Преимущества и недостатки SPI

Преимущества интерфейса SPI:

• Возможность передавать большие данные, не ограниченные длиной в 8 бит.
• Простота в реализации программного обеспечения.
• Простота аппаратной реализации.
• Выводов нужно меньше, чем для параллельных интерфейсов.
• Только быстродействие устройств ограничивает максимальную тактовую частоту.

Недостатки:

• Большое количество выводов по сравнению с I2C.
• Slave не может управлять потоком информации.
• Отсутствие стандартного протокола обнаружения ошибок.
• Большое количество способов реализации интерфейса.
• Отсутствие подтверждения приема информации.

Пример использования SPI Ардуино в проекте с датчиком давления

Для реализации проекта нам нужны Ардуино, датчик давления макетная плата и провода. Пример подключения датчика изображен на рисунке.

При помощи датчика SCP1000 возможно узнавать такие параметры как давление и температура и передать эти значения через SPI.

Основные элементы скетча программы

В первую очередь в коде прописываются регистры датчика при помощи setup(). С устройства возвращаются несколько значений – одно в 19 бит для полученного давления, другое в 16 бит – для температуры. После этого происходит считывание двух температурных байтов и считывание давления в два этапа. Сначала программа берет три старших бита, затем следующие 16 бит, после чего при помощи побитового сдвига происходит объединение этих двух значений в одно. Настоящее давление – это 19-тиразрядное значение, деленное на 4.

const int PRESSURE = 0x1F; // первый этап определения давления (выявляются три старших бита)

const int PRESSURE_LSB = 0x20; // второй этап, в котором определяются 16 бит для давления

const int TEMPERATURE = 0x21; //16 бит для температуры

Для чтения данных температуры и преобразования ее в градусы Цельсия используется следующий элемент кода:

int tempData = readRegister(0x21, 2);

float realTemp = (float)tempData / 20.0; // чтобы определить реальное значение температуры в Цельсиях, нужно полученное число разделить на 20

Serial.print(“Temp

Serial.print(realTemp);

Считывание битов давления и объединение их:

byte pressure_data_high = readRegister(0x1F, 1);

pressure_data_high &= 0b00000111;

unsigned int pressure_data_low = readRegister(0x20, 2);

long pressure = ((pressure_data_high << 16) | pressure_data_low) / 4; //определение давления в Паскалях.

Краткие выводы о SPI

Экраны и датчики SPI часто встречаются в проектах ардуино, поэтому нужно знать, как работает этот протокол. В принципе, ничего сложного в подключении SPI устройств нет. Главное, правильно подсоединить провода и использовать методы стандартной библиотеки в нужной последовательности. Для некоторых устройств, например, SD карты или OLED - экранов, альтернатив, в принципе, не существует.

В этой статье я хочу провести краткий обзор шины SPI (интерфейса, широко распространённого во встраиваемой технике, используемого для подключения различных устройств) и попытаюсь описать процесс создания драйвера протокольного уровня SPI устройства для Linux. Данный документ не претендует на роль полного руководства, а скорее преследует цель указать нужное направление. Так как статья не вошла в размер одного топика, мне пришлось разбить её на две части.

0. Вместо введения

Для кого эта статья?
В первую очередь, для новичков, каковым являюсь и я. На форумах по embedded Linux очень часто можно встретить вопрос: «А как на этой плате работать с SPI?». Именно на него я и попытаюсь дать ответ. В качестве примера, я приведу код написанный для работы с моим тестовым SPI устройством.

Структура статьи
По причине того, что информации получилось достаточно много, статья разбита на несколько подразделов:

1. Что такое SPI?
2. Обзор SPI подсистемы в Linux
3. Разработка userspace протокольного SPI драйвера с использованием spidev
4. Разработка протокольного SPI драйвера уровня ядра
5. Документация

Первый подраздел описывает работу шины SPI, данная часть статьи конкретно к Linux никак не привязана, поэтому её можно читать тем, кому Linux не интересен, а нужно лишь получить информацию об этом интерфейсе.

Второй подраздел описывает структуры и механизмы лежащие в основе работы с SPI в Linux, его нужно прочесть для понимания того, о чём пойдёт речь в третьей и четвёртой частях.

Если вас не интересует мои переводы и дополнения, можете смело переходить сразу к пятой части, там можно найти информацию о том, где получить всю необходимую информацию по данному вопросу.

Ошибки
Я не волшебник, я только учусь. Если найдёте какие-либо ошибки или неточности, пожалуйста, сообщите мне.

1. Что такое SPI?

С технической точки зрения SPI - это синхронная четырёхпроводная шина. Она представляет собой соединение двух синхронных сдвиговых регистров, которые является центральным элементом любого SPI устройства. Для соединения используется конфигурацию ведущий/ведомый. Только ведущий может генерировать импульсы синхронизации. В схеме всегда только один ведущий (в отличие от той же шины I2C, где возможен вариант с более чем одним ведущим), количество ведомых может быть различно. В общем случае выход ведущего соединяется со входом ведомого, и наоборот, выход ведомого соединяется со входом ведущего. При подаче импульсов синхронизации на выход SCK, данные выталкиваются ведущим с выхода MOSI, и захватываются ведомым по входу MISO. Таким образом если подать количество импульсов синхронизации соответствующее разрядности сдвигового регистра, то данные в регистрах обменяются местами. Отсюда следует что SPI всегда работает в полнодуплексном режиме. А вот нужны ли нам данные, полученные от устройства при записи какого-либо параметра, это уже другой вопрос. Часто бывает что данные полученные от устройства при записи в него данных являются мусором, в таком случае их просто игнорируют, но мы их получим вне зависимости от нашего желания.

Контроллер SPI, как правило, реализуется периферийным блоком в MCU или eMPU. В большинстве чипов он может работать как в режиме ведущего, так и в режиме ведомого. Но на данный момент Linux поддерживает только режим ведущего (Master).

Существует несколько способов включения SPI устройств.

Простейший из них вы видите на рисунке выше (спасибо Wikipedia за рисунки под свободной лицензией GFDL). В данном случае к ведущему все ведомые подключаются параллельно, за исключением сигнала выбора ведомого (~CS). Для каждого ведомого необходим отдельный сигнал выбора ведомого (на рисунке они обозначены как SSx). Для сигналов выбора ведомого могут использоваться как специально предназначенные для этого выходы SPI-контроллера, так и порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллера.

Два проводника используются для передачи данных, один для подачи тактовых импульсов и по одному сигналу выбора ведомого для каждого из ведомых.
Описание используемых сигналов:

• MOSI - Master Output, Slave Input (выход ведущего, вход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведущего к ведомому. Также может называться SDO, DO и т.п.
• MISO - Master Input, Slave Output (вход ведущего, выход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведомого к ведущему. Может называться SDI, DI и т.п.
• SCK - Serial Clock (сигнал синхронизации). Используется для синхронизации при передаче данных. Также может иметь название SCLK, CLK и др.
• ~CS - Chip Select (выбор микросхемы). С помощью данного сигнала происходит активация ведомого устройства. Обычно он является инверсным, то есть низкий уровень считается активным. Иногда его называют ~SS (Slave Select, рус. «выбор ведомого»).

Частным случаем независимого подключения является вариант с одним единственным ведомым. В таком случае может возникнуть желание подтянуть сигнал ~CS к земле, чтобы устройство всегда было в активном состоянии. Но делать это крайне не рекомендуется, так как ведомое устройство может использовать сигнал CS для инициализации или для других служебных целей.

Основное неудобство при независимом подключении ведомых в том, что для каждого из ведомых необходим отдельный сигнал ~CS. Каскадная схема подключения, в зарубежной литературе называемая «daisy-chain» (можно перевести как «гирлянда»), лишена такого недостатка.

Как видно из рисунка выше, здесь используется общий сигнал выбора ведомого для всех ведомых. Выход каждого из ведомых соединяется со входом следующего. Выход последнего ведомого соединяется со входом ведущего, таким образом образуется замкнутая цепь. При таком подключении можно считать что последовательно соединённые устройства образуют один большой сдвиговый регистр. Соответственно, данные можно записать во все устройства «за один присест», предварительно собрав нужный пакет, объединяющий данные для каждого из устройств в порядке соответствующем физическому порядку соединения. Но тут есть один тонкий момент. Во-первых, все микросхемы должны поддерживать такой тип подключения; во-вторых, ядро Linux не поддерживает такой тип подключения, так что если всё же захотите его использовать, то вам придётся модифицировать существующие драйвера, либо же написать собственные.

Существует четыре режима работы SPI устройств. Как правило, именно они вызывают больше всего путаницы у новичков. Данные четыре режима представляют собой комбинацию двух бит:

• CPOL (Clock Polarity) - определяет начальный уровень (полярность) сигнала синхронизации.
  CPOL=0 показывает, что сигнал синхронизации начинается с низкого уровня, так что передний фронт является нарастающим, а задний - падающим.
  CPOL=1, сигнал синхронизации начинается с высокого уровня, таким образом передний фронт является падающим, а задний - нарастающим.
• CPHA (Clock Phase) - фаза синхронизации, определяет по какому из фронтов синхронизирующего сигнала производить выборку данных.
  CPHA=0 показывает что необходимо производить выборку по переднему фронту, а
  CPHA=1 показывает что выборку данных необходимо производить по заднему фронту.

2. Обзор SPI подсистемы в Linux

Вторая часть - это протокольные драйверы, используемые для работы с различными ведомыми устройствами, которые подключены к шине SPI. Данные драйверы называют «протокольными», потому что они лишь отправляют и получают различные данные от ведомых устройств, при этом не работая напрямую с каким-либо оборудованием. Именно данный тип драйверов нам наиболее интересен, так как позволяет добавить поддержку интересующего ведомого устройства в систему, его то мы и рассмотрим.

Большинство протокольных драйверов представляет собой модули ядра. Например, если устройство представляет собой аудиокодек подключаемый по SPI, то драйвер будет также использовать функции предоставляемые ALSA, а программы (например, madplay) смогут работать с ним посредством символьного устройства /dev/audio, не имея ни малейшего понятия о том как он аппаратно устроен и к какой шине подключен.

Также ядро предоставляет протокольный драйвер общего назначения, называемый spidev, с интерфейсом в виде символьного устройства. Он позволяет совершать полудуплексные обращения к ведомому SPI-устройству посредством стандартных системных вызовов read() и write(), устанавливать режим работы, а также производить полнодуплексный обмен данными посредством ioctl() вызовов.

Таким образом протокольные драйверы для SPI устройств можно разделить на два типа:

• userspace драйверы, работающие в пространстве пользователя и представляющие собой обычные программы на любом языке, работающие с SPI устройством посредством чтения/записи соответствующего символьного устройства spidev.
• драйверы, работающие в пространстве ядра и предоставляющие интерфейс для userspace посредством файлов устройств в каталоге /dev, либо с помощью атрибутов в каталоге устройства в sysfs.

Теги:

• linux
• spi
• spidev
• embedded
• kernel module

Введение

SPI (3-wire) - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI, наряду с I 2 C, относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Его наименование является аббревиатурой от "Serial Peripheral Bus", что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущий-подчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Электрическое подключение

Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала (их основное и альтернативные обозначения см. в табл. 1). Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 1. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи. Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.

Рис. 1. Простейшее подключение к шине SPI

При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 2), либо каскадное (последовательное) (рис. 3). Независимое подключение более распространенное, т.к. достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь, все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины, переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние, задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n-количество подчиненных микросхем). Каскадное включение избавлено от этого недостатка, т.к. здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке 3. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы. Чтобы выяснить это, важно знать, что такое подключение по-английски называется "daisy-chaining".

Рис. 2. Независимое подключение к шине SPI

Рис. 3. Каскадное подключение к шине SPI

Протокол передачи

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:

• CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));
• CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему). Информация по режимам SPI обобщена в таблице 2.

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.

Cравнение с шиной I 2 C

Как уже упоминалось, для стыковки микросхем не меньшей популярностью пользуется 2-проводная последовательная шина I 2 C . Ниже можно ознакомиться с преимуществами, которая дает та или иная последовательная шина.

Производные и совместимые протоколы

• MICROWIRE.

  Протокол MICROWIRE компании National Semiconductor полностью идентичен протоколу SPI в режиме 0 (CPOL = 0, CPHA = 0).

• 3-проводной интерфейс компании Maxim

  Отличие этого интерфейса состоит в том, что вместо полнодуплексной передачи по двум однонаправленным линиям здесь выполняется полудуплексная передача по одной двунаправленной линии DQ.

QSPI

Более высокоуровневый протокол, чем SPI, позволяющий автоматизировать передачу данных без участия ЦПУ.

Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в т.ч. отладочный интерфейс JTAG и интерфейсы карт Flash-памяти, в т.ч. SD и MMC.

Табл. 1. Электрические сигналы шины SPI

В этой статье я хочу провести краткий обзор шины SPI (интерфейса, широко распространённого во встраиваемой технике, используемого для подключения различных устройств) и попытаюсь описать процесс создания драйвера протокольного уровня SPI устройства для Linux. Данный документ не претендует на роль полного руководства, а скорее преследует цель указать нужное направление. Так как статья не вошла в размер одного топика, мне пришлось разбить её на две части.

0. Вместо введения

Для кого эта статья?
В первую очередь, для новичков, каковым являюсь и я. На форумах по embedded Linux очень часто можно встретить вопрос: «А как на этой плате работать с SPI?». Именно на него я и попытаюсь дать ответ. В качестве примера, я приведу код написанный для работы с моим тестовым SPI устройством.

Структура статьи
По причине того, что информации получилось достаточно много, статья разбита на несколько подразделов:

1. Что такое SPI?
2. Обзор SPI подсистемы в Linux
3. Разработка userspace протокольного SPI драйвера с использованием spidev
4. Разработка протокольного SPI драйвера уровня ядра
5. Документация

Первый подраздел описывает работу шины SPI, данная часть статьи конкретно к Linux никак не привязана, поэтому её можно читать тем, кому Linux не интересен, а нужно лишь получить информацию об этом интерфейсе.

Второй подраздел описывает структуры и механизмы лежащие в основе работы с SPI в Linux, его нужно прочесть для понимания того, о чём пойдёт речь в третьей и четвёртой частях.

Если вас не интересует мои переводы и дополнения, можете смело переходить сразу к пятой части, там можно найти информацию о том, где получить всю необходимую информацию по данному вопросу.

Ошибки
Я не волшебник, я только учусь. Если найдёте какие-либо ошибки или неточности, пожалуйста, сообщите мне.

1. Что такое SPI?

С технической точки зрения SPI - это синхронная четырёхпроводная шина. Она представляет собой соединение двух синхронных сдвиговых регистров, которые является центральным элементом любого SPI устройства. Для соединения используется конфигурацию ведущий/ведомый. Только ведущий может генерировать импульсы синхронизации. В схеме всегда только один ведущий (в отличие от той же шины I2C, где возможен вариант с более чем одним ведущим), количество ведомых может быть различно. В общем случае выход ведущего соединяется со входом ведомого, и наоборот, выход ведомого соединяется со входом ведущего. При подаче импульсов синхронизации на выход SCK, данные выталкиваются ведущим с выхода MOSI, и захватываются ведомым по входу MISO. Таким образом если подать количество импульсов синхронизации соответствующее разрядности сдвигового регистра, то данные в регистрах обменяются местами. Отсюда следует что SPI всегда работает в полнодуплексном режиме. А вот нужны ли нам данные, полученные от устройства при записи какого-либо параметра, это уже другой вопрос. Часто бывает что данные полученные от устройства при записи в него данных являются мусором, в таком случае их просто игнорируют, но мы их получим вне зависимости от нашего желания.

Контроллер SPI, как правило, реализуется периферийным блоком в MCU или eMPU. В большинстве чипов он может работать как в режиме ведущего, так и в режиме ведомого. Но на данный момент Linux поддерживает только режим ведущего (Master).

Существует несколько способов включения SPI устройств.

Простейший из них вы видите на рисунке выше (спасибо Wikipedia за рисунки под свободной лицензией GFDL). В данном случае к ведущему все ведомые подключаются параллельно, за исключением сигнала выбора ведомого (~CS). Для каждого ведомого необходим отдельный сигнал выбора ведомого (на рисунке они обозначены как SSx). Для сигналов выбора ведомого могут использоваться как специально предназначенные для этого выходы SPI-контроллера, так и порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллера.

Два проводника используются для передачи данных, один для подачи тактовых импульсов и по одному сигналу выбора ведомого для каждого из ведомых.
Описание используемых сигналов:

• MOSI - Master Output, Slave Input (выход ведущего, вход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведущего к ведомому. Также может называться SDO, DO и т.п.
• MISO - Master Input, Slave Output (вход ведущего, выход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведомого к ведущему. Может называться SDI, DI и т.п.
• SCK - Serial Clock (сигнал синхронизации). Используется для синхронизации при передаче данных. Также может иметь название SCLK, CLK и др.
• ~CS - Chip Select (выбор микросхемы). С помощью данного сигнала происходит активация ведомого устройства. Обычно он является инверсным, то есть низкий уровень считается активным. Иногда его называют ~SS (Slave Select, рус. «выбор ведомого»).

Частным случаем независимого подключения является вариант с одним единственным ведомым. В таком случае может возникнуть желание подтянуть сигнал ~CS к земле, чтобы устройство всегда было в активном состоянии. Но делать это крайне не рекомендуется, так как ведомое устройство может использовать сигнал CS для инициализации или для других служебных целей.

Основное неудобство при независимом подключении ведомых в том, что для каждого из ведомых необходим отдельный сигнал ~CS. Каскадная схема подключения, в зарубежной литературе называемая «daisy-chain» (можно перевести как «гирлянда»), лишена такого недостатка.

Как видно из рисунка выше, здесь используется общий сигнал выбора ведомого для всех ведомых. Выход каждого из ведомых соединяется со входом следующего. Выход последнего ведомого соединяется со входом ведущего, таким образом образуется замкнутая цепь. При таком подключении можно считать что последовательно соединённые устройства образуют один большой сдвиговый регистр. Соответственно, данные можно записать во все устройства «за один присест», предварительно собрав нужный пакет, объединяющий данные для каждого из устройств в порядке соответствующем физическому порядку соединения. Но тут есть один тонкий момент. Во-первых, все микросхемы должны поддерживать такой тип подключения; во-вторых, ядро Linux не поддерживает такой тип подключения, так что если всё же захотите его использовать, то вам придётся модифицировать существующие драйвера, либо же написать собственные.

Существует четыре режима работы SPI устройств. Как правило, именно они вызывают больше всего путаницы у новичков. Данные четыре режима представляют собой комбинацию двух бит:

• CPOL (Clock Polarity) - определяет начальный уровень (полярность) сигнала синхронизации.
  CPOL=0 показывает, что сигнал синхронизации начинается с низкого уровня, так что передний фронт является нарастающим, а задний - падающим.
  CPOL=1, сигнал синхронизации начинается с высокого уровня, таким образом передний фронт является падающим, а задний - нарастающим.
• CPHA (Clock Phase) - фаза синхронизации, определяет по какому из фронтов синхронизирующего сигнала производить выборку данных.
  CPHA=0 показывает что необходимо производить выборку по переднему фронту, а
  CPHA=1 показывает что выборку данных необходимо производить по заднему фронту.

2. Обзор SPI подсистемы в Linux

Вторая часть - это протокольные драйверы, используемые для работы с различными ведомыми устройствами, которые подключены к шине SPI. Данные драйверы называют «протокольными», потому что они лишь отправляют и получают различные данные от ведомых устройств, при этом не работая напрямую с каким-либо оборудованием. Именно данный тип драйверов нам наиболее интересен, так как позволяет добавить поддержку интересующего ведомого устройства в систему, его то мы и рассмотрим.

Большинство протокольных драйверов представляет собой модули ядра. Например, если устройство представляет собой аудиокодек подключаемый по SPI, то драйвер будет также использовать функции предоставляемые ALSA, а программы (например, madplay) смогут работать с ним посредством символьного устройства /dev/audio, не имея ни малейшего понятия о том как он аппаратно устроен и к какой шине подключен.

Также ядро предоставляет протокольный драйвер общего назначения, называемый spidev, с интерфейсом в виде символьного устройства. Он позволяет совершать полудуплексные обращения к ведомому SPI-устройству посредством стандартных системных вызовов read() и write(), устанавливать режим работы, а также производить полнодуплексный обмен данными посредством ioctl() вызовов.

Таким образом протокольные драйверы для SPI устройств можно разделить на два типа:

• userspace драйверы, работающие в пространстве пользователя и представляющие собой обычные программы на любом языке, работающие с SPI устройством посредством чтения/записи соответствующего символьного устройства spidev.
• драйверы, работающие в пространстве ядра и предоставляющие интерфейс для userspace посредством файлов устройств в каталоге /dev, либо с помощью атрибутов в каталоге устройства в sysfs.

Теги: Добавить метки