摘  要： 以微處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)組成的嵌入式系統(tǒng)作為主要開發(fā)平臺,，根據(jù)SPI通信原理和S3C2440電路接口的特點,，設計了一款基于ARM嵌入式系統(tǒng)的SPI驅(qū)動程序。討論了SPI驅(qū)動程序的基本開發(fā)方法和實現(xiàn)過程,，通過編寫簡單的測試程序進行仿真驗證。驗證結(jié)果表明該驅(qū)動程序穩(wěn)定可靠,，可實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,。
關(guān)鍵詞： S3C2440；嵌入式Linux,；SPI,；驅(qū)動程序

　嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應用于國防電子、數(shù)字家庭,、工業(yè)自動化,、汽車電子等多種領(lǐng)域[1],。在嵌入式開發(fā)過程中，許多系統(tǒng)通常使用串口驅(qū)動來滿足通信要求,，但在實際應用中,，使用SPI通信方式會更加高效和快捷[2]。SPI接口是一種高速,、高效的串行接口技術(shù),，因而SPI設備在數(shù)據(jù)通信應用中十分方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng),，設計了一種SPI驅(qū)動程序,，該驅(qū)動程序功能可靠靈活、易于移植,，可應用于多種嵌入式平臺,，實現(xiàn)ARM與設備之間的通信。
1 硬件說明
1.1 S3C2440開發(fā)平臺
　采用三星公司的SoC芯片S3C2440[4]作為核心處理器,，主頻為400 MHz,，并與64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash共同組成核心部分。此外,，該平臺也為用戶提供了大量的通信,、顯示、調(diào)試以及I/O接口,。為滿足設計需要,，將Linux2.6.21版內(nèi)核移植于該平臺上。
1.2 SPI硬件模塊
　S3C2440具有兩個SPI,，每個SPI具有兩個8位移位寄存器用于獨立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù),，并兼容SPI ver.2.11協(xié)議，支持8位邏輯預分頻,，系統(tǒng)可用polling,、中斷、DMA三種方式判斷SPI發(fā)送及接收狀態(tài),。此SPI模塊共包含以下信號線[5]：
　(1)SCK：數(shù)據(jù)同步時鐘信號,，由主設備驅(qū)動，向從設備輸出,，使得從設備按照同步時鐘的步調(diào)來接收或發(fā)送數(shù)據(jù),。
    (2)nCS(由用戶指定GPIO)：從設備選擇信號線(Slave Select，SS)由主設備發(fā)出,，用來選擇激活某個從設備,，低電平有效。
　(3)MISO(SPIMISO0)：主入從出信號線,，表示該信號在主設備中作為輸入,，在從設備中作為輸出,。
　(4)MOSI(SPIMOSI0)：主出從入信號線，表示該信號在主設備中作為輸出,，在從設備中作為輸入,。
　(5)/SS(nSS)：多主錯誤檢測。
2 Linux下的SPI設備驅(qū)動程序設計
　Linux設備驅(qū)動在Linux內(nèi)核中扮演著重要的角色,。它可使某些特定硬件響應一個定義良好的內(nèi)部編程接口,，這些接口完全隱藏了設備工作的細節(jié)。用戶操作可通過一組標準化的調(diào)用來執(zhí)行,，這些調(diào)用在形式上完全獨立于特定的驅(qū)動程序,，而將這些調(diào)用映射到實際硬件設備的特有操作上，則是驅(qū)動程序的任務[6],。本設計的SPI驅(qū)動主要定義了初始化,、讀和寫三個操作。其中初始化操作用于驅(qū)動程序第一次加載到內(nèi)核運行時,，對一些內(nèi)核機制及存儲器進行初始化,。寫操作負責將用戶數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核緩沖區(qū)，控制本地主SPI發(fā)送數(shù)據(jù)至從SPI寄存器中,。讀操作將按照用戶要求讀取的字節(jié)數(shù),，連續(xù)讀取本地主SPI中接收到的數(shù)據(jù)，并將其拷貝至用戶空間,。驅(qū)動程序?qū)⒉捎弥袛嗟姆绞酵ㄖ到y(tǒng)SPI數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢,，即當SPI硬件模塊每發(fā)送完畢一個數(shù)據(jù)，都會通過中斷線向系統(tǒng)發(fā)起中斷,，系統(tǒng)響應中斷后,，驅(qū)動程序?qū)⒄{(diào)用中斷處理例程。
2.1 SPI初始化
　(1)申請中斷,。此驅(qū)動設計通過中斷判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢,，所以需要申請SPI0相關(guān)的中斷，并注冊相應的中斷處理函數(shù),。此驅(qū)動程序的中斷處理函數(shù)聲明如下：
　static irqreturn_t s3c2440_isr_spi(int irq,，void*dev_id，struct pt_regs*reg)
　利用request_irq向內(nèi)核申請中斷號并注冊中斷處理函數(shù)：
　request_irq(IRQ_SPI0,，s3c2440_isr_spi,，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME,，s3c2440_isr_spi)；
　(2)虛擬地址映射,。驅(qū)動程序可以直接通過訪問內(nèi)核中的虛擬地址來訪問設備物理地址所對應的寄存器,，對其進行操作,。SPI設備的地址映射過程如下：
　request_mem_region(S3C2440_PA_SPI，0x30,，"s3c2440-spi"),；
base_addr = ioremap(S3C2440_PA_SPI，0x30),；
　其中S3C2440_PA_SPI為SPI的物理地址(在/asm-arch/arch-s3c2440/map.h中定義),，從S3C2440_PA_SPI開始分配0x30大小的內(nèi)存區(qū)域，此后將其移至內(nèi)核空間,。
　(3)相關(guān)寄存器的設置,。通過配置SPI功能寄存器設置SPI工作模式。以ioremap返回的虛擬地址為基址,，通過增加不同偏移量訪問相應寄存器,。本次設計將本地SPI設為主設備，開啟SCK信號使能,，設定CPOL和CPHA均為0,，SPI工作在普通模式下。設置波特率預分頻寄存器(SPPRE)中的分頻比為8,。具體設計如下：
　__raw_writel((S3C2440_SPCON_SMOD_INT|S3C2440_SPCON_ENSCK|S3C2440_SPCON_MSTR),， s3c2440_SPCON)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPCON initialize\n"),；
　__raw_writel((S3C2440_SPPIN_ENMUL | S3C2440_SPPIN_KEEP),，s3c2440_SPPIN)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPPIN initialize\n"),；
　__raw_writel(0x07,，s3c2440_SPPRE)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPPRE initialize\n"),；
　(4)初始化發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，通過頭尾指針的循環(huán)移動,，實現(xiàn)對緩沖區(qū)的動態(tài)管理,。其定義如下：
　typedef struct
    {
        spi_buf buf[MAX_SPI_BUF]；
        unsigned int head,， tail,；
        wait_queue_head_t wq；
    } SPI_BUF,；  static SPI_BUF spi_Tx_buf,；static                SPI_BUF spi_Rec_buf；
　其中spi_buf表示char型,，MAX_SPI_BUF為緩沖區(qū)大小,，設為1 024 B,。head、tail分別表示頭尾數(shù)組下標,，wq為等待隊列頭,。此結(jié)構(gòu)依靠以下宏進行管理：
　#define SPI_Tx_BUF_HEAD(spi_Tx_buf.buf[spi_Tx_buf.head])
　#define SPI_Tx_BUF_TAIL(spi_Tx_buf.buf[spi_Tx_buf.tail])
　#define INCBUF(x，mod)((++(x))&((mod)-1))
　前兩個宏用于引用緩沖區(qū)中的元素,，最后一個宏用于對頭尾下標進行前移,，并保證頭尾下標數(shù)值可循環(huán)變化，不發(fā)生溢出,。
　在初始化時,，分別對接收和發(fā)送緩沖區(qū)的頭尾指針進行清零操作，具體如下：
spi_Tx_buf.head=spi_Tx_buf.tail=0,；spi_Rec_buf.head=spi_Rec_buf.tail = 0,；
　(5)內(nèi)核機制相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化。本設計所使用的內(nèi)核機制包括了中斷上下半部的操作和睡眠等待機制,，因此需要對發(fā)送,、接收等待隊列以及tasklet結(jié)構(gòu)進行初始化，并注冊tasklet處理函數(shù),。初始化過程如下：
　init_waitqueue_head(&(spi_Tx_buf.wq)),；   
　init_waitqueue_head(&(spi_Rec_buf.wq))；
　tasklet_init(&spi_tasklet,，spi_tasklet_handler,，data)；
　(6)初始化相應端口,。根據(jù)S3C2440外部管腳配置,，將與SPI功能引腳復用的GPIO設定為SPI相應功能。具體操作如下：
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE11,，S3C2440_GPE11_SPIMISO0),；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE12，S3C2440_GPE12_SPIMOSI0),；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE13,，S3C2440_GPE13_SPICLK0)；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPG2,，S3C2440_GPG2_INP),；//設置nSS
　s3c2440_gpio_cfgpin(S3C2440_GPB10，
　S3C2440_GPB10_OUTP),；    //設置片選信號
　s3c2440_gpio_setpin(S3C2440_GPB10,，1)；
2.2 SPI寫操作
　寫操作主要是將上層應用部分的用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間中的環(huán)形緩沖區(qū)中，此后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到SPI發(fā)送寄存器中,，在SPI發(fā)送完一個數(shù)據(jù)后,，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，中斷例程中的下半部將調(diào)用tasklet判斷緩沖區(qū)狀態(tài),。若緩沖區(qū)中有相應的空間，可以將下一數(shù)據(jù)填入SPI發(fā)送寄存器中,，直至將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢,。
　本設計的寫操作實現(xiàn)了環(huán)形緩沖區(qū)的動態(tài)管理，即在緩沖區(qū)刪除數(shù)據(jù),、尾指針前移的情況下,，允許向緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)，頭指針前移,。此設計可以使用戶空間任務與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)發(fā)送同時進行,，提高了用戶空間任務執(zhí)行效率，并且當利用copy_from_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝至內(nèi)核空間時,，數(shù)據(jù)發(fā)送仍在進行,，即數(shù)據(jù)從用戶空間至內(nèi)核空間拷貝過程與數(shù)據(jù)發(fā)送過程并發(fā)，提高了驅(qū)動程序效率,。
　為了實現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)動態(tài)管理,，定義了copy_to_Tx_buf_init和copy_to_Tx_buf兩個函數(shù)完成數(shù)據(jù)向緩沖區(qū)的復制操作。
　(1)copy_to_Tx_buf_init函數(shù),。本函數(shù)主要用于兩種情況：
?、偃绻彌_區(qū)為空，當有一組數(shù)據(jù)到來且此數(shù)據(jù)的大小小于緩沖區(qū)的空間大小時,，直接將此數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中,。
　②如果發(fā)送數(shù)據(jù)的大小大于剩余緩沖區(qū)的空間,，則只復制緩沖區(qū)大小的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū),。
緩沖區(qū)滿，該進程進行睡眠操作,，直到緩沖區(qū)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，緩沖區(qū)再次為空，當前進程被喚醒,，將此組用戶數(shù)據(jù)的未發(fā)送部分復制到緩沖區(qū),，繼續(xù)發(fā)送。
　(2)copy_to_Tx_buf函數(shù),。此函數(shù)主要用于緩沖區(qū)正在發(fā)送且未發(fā)送完畢的情況,，將新一組用戶數(shù)據(jù)copy至緩沖區(qū)。首先計算緩沖區(qū)剩余空間，若剩余空間大于本組用戶數(shù)據(jù)大小,，則直接將用戶數(shù)據(jù)全部copy至緩沖區(qū),；若剩余空間小于本組數(shù)據(jù)大小，則copy與剩余空間大小相同的用戶數(shù)據(jù)至緩沖區(qū),。
　寫操作的具體流程如圖1所示,，首先用戶數(shù)據(jù)從空間態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，并設置相應的接收標志位,。此后判斷數(shù)據(jù)大小,。若數(shù)據(jù)大于緩沖區(qū)空間，數(shù)據(jù)發(fā)生溢出,，寫操作結(jié)束,；若沒有溢出，為了保證進程間的數(shù)據(jù),，使得該進程獲得自旋鎖,，此時判斷緩沖區(qū)是否為空。根據(jù)上面兩個函數(shù)的介紹,，在不同情況下分別調(diào)用不同的函數(shù),，在數(shù)據(jù)寫入環(huán)形緩沖區(qū)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到SPI的發(fā)送寄存器,。當SPI發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)時,，環(huán)形緩沖區(qū)依舊接收數(shù)據(jù)，如果此時緩沖區(qū)為滿,，則釋放自旋鎖,，并設置進程等待標志位(wait_Tx_done)，將此進程休眠,，直到發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,，再喚醒進程，判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢,。若仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送,，則調(diào)用copy_to_Tx_buf_int；若數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢,，則寫操作結(jié)束,。若緩沖區(qū)不為滿，則判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢,。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢,，發(fā)送操作結(jié)束。

2.3 SPI讀操作
　讀操作是連續(xù)讀取主SPI發(fā)送到從SPI的接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),，并將其傳送給用戶空間,。具體流程如圖2所示。首先判斷操作標志位spi_Rec_en，若此位為0,，說明此時驅(qū)動正處于發(fā)送狀態(tài),，則將發(fā)送進程等待標志位(wait_Tx_done)置1，讀進程進入休眠狀態(tài)即放入等待隊列中,，等待中斷處理函數(shù)中相關(guān)發(fā)送程序喚醒,。若操作標志位不為1，讀進程首先獲得自旋鎖,，判斷數(shù)據(jù)大小,。若數(shù)據(jù)大小不為0且不超過緩沖區(qū)大小，則按照S3C2440接收數(shù)據(jù)的要求,，向SPI發(fā)送寄存器寫入第一個dummy數(shù)據(jù)(0xff)。此后,，將接收進程等待標志位(wait_Rec_done)置1,，釋放自旋鎖，并將此進程加入等待隊列進行休眠,，直到用戶要求的所有數(shù)據(jù)已發(fā)送至接收緩沖區(qū)后,，由中斷處理函數(shù)喚醒該進程，最后將接收區(qū)中的數(shù)據(jù)放到臨時接收緩存中,，以便于其他操作讀取,。

3 SPI驅(qū)動程序測試
　SPI驅(qū)動程序主要通過調(diào)用寫操作，使SPI連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)0x55,，此后再調(diào)用SPI讀操作,，將MISO上的串行數(shù)據(jù)讀入用戶緩沖區(qū)，并與實際數(shù)據(jù)進行比較,。圖3為示波器測試MOSI引腳波形,。圖中波形1為SCK信號，ARM系統(tǒng)時鐘為40 MHz,，SPI的SCK信號為系統(tǒng)時鐘的256分頻,，約為156 kHz；波形2為MOSI信號,，SPI從低位向高位串行移位,。通過波形可以看出，SPI驅(qū)動能夠準確地完成讀寫操作,，驗證了其正確性,。

　本文以S3C2440為硬件開發(fā)平臺，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)驅(qū)動設計方法,，設計了一款通用的SPI驅(qū)動程序,，并通過編寫簡單測試程序，觀察示波器輸出波形驗證。該驅(qū)動程序可以使微處理器和外設之間進行穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸,，具有功能靈活,、可移植性強、可靠性高等特點,，有一定的使用價值和借鑒意義,。
參考文獻
[1] 孫天澤，袁文菊.嵌入式設計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南—基于ARM9處理器(第3版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2009.
[2] 張曉雷,，陳曉寧，郭劍.嵌入式Linux下基于SPI總線的網(wǎng)絡設備驅(qū)動設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,，2008,，29(23).
[3] 沃爾瓦諾.嵌入式微機算機系統(tǒng)：實時接口技術(shù)[M].李森譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.
[4] S3C2440A 32-Bit CMOS Microcontroller User’s Manual,， Revision 2. Samsung Electronics. 2008.
[5] 徐英慧.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計—基于S3C2440與Linux[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2008.
[6] CORBET J， RUBINI A,， KROAH-HARTMAN G. LINUX設備驅(qū)動程序(第三版)[M].魏永明,，耿岳，鐘書毅,，譯.北京：中國電力出版社,，2009.