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SPI Bit-banging方法的實作

前言

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種應用廣泛的通信總線，通常微處理器上會內建SPI子產品以支援該通信協定，輸出正确的信号的時序，并保證時序間同步，實作與外部SPI裝置正常通信。當需要使用微處理器上SPI子產品，但發現引腳被占用時，那麼可以通過SPI Bit-banging這個方法，通過GPIO端口模拟SPI接口引腳（CS、MOSI、MISO、CLK）上的時序信号來實作SPI協定，與對應SPI裝置進行通信。以下為MT7688晶片的SPI讀寫時序圖。本文主要介紹如何在嵌入式linux發行版平台上實作SPI Bit-banging功能。

SPI Bit-banging方法的實作

裝置樹文法和格式 

     
  1.  嵌入式linux系統引入了裝置樹（Device Tree）機制，采用這種資料結構将硬體資訊組織成DTS（Device Tree source）檔案用于描述闆級裝置。裝置樹由基本單元——節點（node）組織成樹狀結構，一個裝置樹隻有一個根節點（root node），根節點中可包含若幹子節點，每個子節點可以同時包含若幹屬性和下一級子節點，屬性用于描述了節點的具體特征。       
    2.       
  2.  以下為.dts檔案中最基本的樹結構，“/”表示根節點，根節點下的兩個子節點分别為“node1”和“node2”，“node1”和“node2”又各自包含了子節點，如“child-node1”和“child-node2”。檔案中若幹鍵－值對，為分散在裝置樹中的屬性。       
    3.           
  3.  / {       
    4.       
  4.  node1 {       
    5.       
  5.  a-          string-          property =           "A string";       
    6.       
  6.  a-          string-list-          property =           "first string",           "second string";       
    7.       
  7.  a-byte-data-          property = [          ];       
    8.       
  8.  child-node1 {       
    9.       
  9.  first-child-          property;       
    10.       
  10.  second-child-          property = <          >;       
    11.       
  11.  a-          string-          property =           "Hello, world";       
    12.       
  12.  };       
    13.       
  13.  child-node2 {       
    14.       
  14.  };       
    15.       
  15.  };       
    16.       
  16.  node2 {       
    17.       
  17.  an-          empty-          property;       
    18.       
  18.  a-cell-          property = <          >; /*           each number (cell)           is a uint32 */       
    19.       
  19.  child-node1 {       
    20.       
  20.  };       
    21.       
  21.  };       
    22.       
  22.  };       
    23.

由于以上的.dts檔案并沒有描述任何硬體裝置的特征，下面以openwrt發行版上的MT7628dts檔案為例對裝置樹進行具體說明。每個節點以“<名稱>[@<裝置位址>]”形式命名，當該節點描述的裝置存在裝置位址時需在名稱後加上主位址，同時節點中以reg=<位址1 長度1] [位址2 長度2] [位址3 長度3] ... >方式列出裝置使用的位址範圍，父節點的 #address-cells 和 #size-cells 屬性聲明reg中各字段的數量。節點中的compatible屬性表示使用哪個裝置驅動綁定到目前節點描述的裝置上。

     
  1.  Mt7628an.dtsi檔案部分代碼：       
    2.       
  2.  / {       
    3.       
  3.  #address-cells = <1>;       
    4.       
  4.  #size-cells = <1>;       
    5.       
  5.  compatible =           "ralink,mtk7628an-soc";       
    6.           
  6.  cpus {       
    7.       
  7.  cpu@           {       
    8.       
  8.  compatible =           "mips,mips24KEc";       
    9.       
  9.  };       
    10.       
  10.  };       
    11.           
  11.  chosen {       
    12.       
  12.  bootargs =           "console=ttyS0,57600";       
    13.       
  13.  };       
    14.       
  14.  ......       
    15.       
  15.  palmbus: palmbus@           {       
    16.       
  16.  compatible =           "palmbus";       
    17.       
  17.  reg = <          >;       
    18.       
  18.  ranges = <          >;       
    19.           
  19.  #address-cells = <1>;       
    20.       
  20.  #size-cells = <1>;       
    21.           
  21.  sysc: sysc@           {       
    22.       
  22.  compatible =           "ralink,mt7620a-sysc";       
    23.       
  23.  reg = <          >;       
    24.       
  24.  };       
    25.       
  25.  gpio@           {       
    26.       
  26.  #address-cells = <1>;       
    27.       
  27.  #size-cells = <0>;       
    28.           
  28.  compatible =           "mtk,mt7628-gpio",           "mtk,mt7621-gpio";       
    29.       
  29.  reg = <          >;       
    30.           
  30.  interrupt-parent = <&intc>;       
    31.       
  31.  interrupts = <          >;       
    32.           
  32.  gpio0: bank@           {       
    33.       
  33.  reg = <          >;       
    34.       
  34.  compatible =           "mtk,mt7621-gpio-bank";       
    35.       
  35.  gpio-controller;       
    36.       
  36.  #gpio-cells = <2>;       
    37.       
  37.  };       
    38.           
  38.  gpio1: bank@           {       
    39.       
  39.  reg = <          >;       
    40.       
  40.  compatible =           "mtk,mt7621-gpio-bank";       
    41.       
  41.  gpio-controller;       
    42.       
  42.  #gpio-cells = <2>;       
    43.       
  43.  };       
    44.           
  44.  gpio2: bank@           {       
    45.       
  45.  reg = <          >;       
    46.       
  46.  compatible =           "mtk,mt7621-gpio-bank";       
    47.       
  47.  gpio-controller;       
    48.       
  48.  #gpio-cells = <2>;       
    49.       
  49.  };       
    50.       
  50.  };       
    51.           
  51.  spi0: [email protected] {       
    52.       
  52.  compatible =           "ralink,mt7621-spi";       
    53.       
  53.  reg = <          >;       
    54.           
  54.  resets = <&rstctrl           >;       
    55.       
  55.  reset-names =           "spi";       
    56.           
  56.  #address-cells = <1>;       
    57.       
  57.  #size-cells = <0>;       
    58.           
  58.  pinctrl-names =           "default";       
    59.       
  59.  pinctrl           = <&spi_pins>;       
    60.           
  60.  status =           "disabled";       
    61.       
  61.  };       
    62.       
  62.  ......       
    63.       
  63.  };       
    64.           
  64.  pinctrl: pinctrl {       
    65.       
  65.  compatible =           "ralink,rt2880-pinmux";       
    66.       
  66.  pinctrl-names =           "default";       
    67.       
  67.  pinctrl           = <&state_default>;       
    68.           
  68.  state_default: pinctrl0 {       
    69.       
  69.  };       
    70.           
  70.  spi_pins: spi {       
    71.       
  71.  spi {       
    72.       
  72.  ralink,group =           "spi";       
    73.       
  73.  ralink,function =           "spi";       
    74.       
  74.  };       
    75.       
  75.  };       
    76.           
  76.  spi_cs1_pins: spi_cs1 {       
    77.       
  77.  spi_cs1 {       
    78.       
  78.  ralink,group =           "spi cs1";       
    79.       
  79.  ralink,function =           "spi cs1";       
    80.       
  80.  };       
    81.       
  81.  };       
    82.       
  82.  ......       
    83.       
  83.  };       
    84.       
  84.  };       
    85.

SPI Bit-banging實作

嵌入式Linux核心中已提供SPI Bit-banging驅動代碼，隻需進行對應的配置即可使用。

首先在openwrt_widora-master/target/linux/ramips/dts路徑下修改Widora.dts檔案，将配置代碼加入根節點中，并且在pinctrl中将Spis功能的引腳申明為GPIO引腳，驅動檔案為drivers/spi路徑下的spi-gpio.c，函數中注冊的驅動名稱為spi_gpio，與 compatible屬性對應。

     
  1.  dts檔案部分代碼：       
    2.       
  2.  gpio-spi {       
    3.       
  3.  status =           "okay";       
    4.       
  4.  compatible =           "spi-gpio";       
    5.       
  5.  #address-cells = <0x1>;       
    6.       
  6.  ranges;       
    7.           
  7.  gpio-sck = <&gpio0           >;       
    8.       
  8.  gpio-miso = <&gpio0           >;       
    9.       
  9.  gpio-mosi = <&gpio0           >;       
    10.       
  10.  cs-gpios = <&gpio0           >;       
    11.       
  11.  num-chipselects = <          >;       
    12.       
  12.  }       
    13.           
  13.  spi-gpio.c檔案部分代碼：       
    14.       
  14.  #define DRIVER_NAME    "spi_gpio"       
    15.       
  15.  static           struct platform_driver spi_gpio_driver = {       
    16.       
  16.  .driver = {       
    17.       
  17.  .name    = DRIVER_NAME,       
    18.       
  18.  .owner    = THIS_MODULE,       
    19.       
  19.  .of_match_table = of_match_ptr(spi_gpio_dt_ids),       
    20.       
  20.  },       
    21.       
  21.  .probe        = spi_gpio_probe,       
    22.       
  22.  .remove        = spi_gpio_remove,       
    23.       
  23.  };       
    24.       
  24.  module_platform_driver(spi_gpio_driver);       
    25.

其次在OpenWrt的配置界面中選擇Kernel modules–> SPI Support –>kmod-spi-gpio，選中後會自動關聯 kmod-spi-bitbang子產品。

最後編譯核心并燒錄固件。核心啟動後通過lsmod指令檢視已經加載到核心中的子產品的狀态資訊，可發現核心已經加載了spi_bitbang和spi_gpio子產品。

SPI Bit-banging方法的實作

在spi-gpio.c檔案的spi_gpio_probe函數加入printk語句觀察可獲悉到spi-gpio驅動在啟動時被加載運作，并且從dts檔案中擷取到定義為SPI Bit-banging功能的GPIO引腳。

SPI Bit-banging方法的實作

結論

SPI的bit-bang方式實作SPI協定雖然可以不依賴于控制器上的SPI外設子產品，但是需要代碼完成時序邏輯和同步要求，相對來說性能低于控制器自身的SPI子產品，是以僅适用于低速要求的應用場合。

kernel-driver-spi
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