Linux spi驱动框架分析（四）

news/2025/2/26 4:57:31

系列文章：
Linux spi驱动框架分析（一）
Linux spi驱动框架分析（二）
Linux spi驱动框架分析（三）
Linux spi驱动框架分析（四）

spi_master的消息队列机制

SPI数据传输可以有两种方式：同步方式和异步方式。所谓同步方式是指数据传输的发起者必须等待本次传输的结束，期间不能做其它事情，用代码来解释就是，调用传输的函数后，直到数据传输完成，函数才会返回。而异步方式则正好相反，数据传输的发起者无需等待传输的结束，数据传输期间还可以做其它事情，用代码来解释就是，调用传输的函数后，函数会立刻返回而不用等待数据传输完成，我们只需设置一个回调函数，传输完成后，该回调函数会被调用以通知发起者数据传送已经完成。同步方式简单易用，很适合处理那些少量数据的单次传输。但是对于数据量大、次数多的传输来说，异步方式就显得更加合适。

对于SPI控制器来说，要支持异步方式必须要考虑以下两种状况：

  1. 对于同一个数据传输的发起者，既然异步方式无需等待数据传输完成即可返回，返回后，该发起者可以立刻又发起一个message，而这时上一个message还没有处理完。

  2. 对于另外一个不同的发起者来说，也有可能同时发起一次message传输请求。

队列化正是为了为了解决以上的问题，所谓队列化，是指把等待传输的message放入一个队列中，发起一个传输操作，其实就是把对应的message按先后顺序放入一个队列中。内核会创建一个内核工作线程，通过线程来处理队列上的message。

一个或者多个设备驱动程序可以同时向控制器驱动发起多个spi_message请求，这些spi_message也是以链表的形式被链接在spi_master结构体的queue成员里。

spi_master，spi_message，spi_transfer这几个数据结构的关系可以用下图来描述：
在这里插入图片描述
如果spi控制器驱动要想支持消息队列机制的话，注册spi_master时，其transfer成员不能设置，具体细节如下代码所示：

int spi_register_master(struct spi_master *master)
{
	static atomic_t		dyn_bus_id = ATOMIC_INIT((1<<15) - 1);
	struct device		*dev = master->dev.parent;
	struct boardinfo	*bi;
	int			status = -ENODEV;
	int			dynamic = 0;

	......

	
	if (master->transfer)
		dev_info(dev, "master is unqueued, this is deprecated\n");
	else {
		//消息队列机制初始化，创建内核工作队列等
		status = spi_master_initialize_queue(master);
		if (status) {
			device_del(&master->dev);
			goto done;
		}
	}

	......

}

spi_master_initialize_queue函数执行流程图如下所示：
在这里插入图片描述

进入spi_master_initialize_queue函数：

static int spi_master_initialize_queue(struct spi_master *master)
{
	int ret;

	//设置spi_master->transfer为spi_queued_transfer
	master->transfer = spi_queued_transfer;

	//若驱动未提供transfer_one_message则设置为spi_transfer_one_message
	if (!master->transfer_one_message)
		master->transfer_one_message = spi_transfer_one_message;

	/* 创建工作线程等*/
	ret = spi_init_queue(master);
	if (ret) {
		dev_err(&master->dev, "problem initializing queue\n");
		goto err_init_queue;
	}
	master->queued = true;

	//开始工作
	ret = spi_start_queue(master);
	if (ret) {
		dev_err(&master->dev, "problem starting queue\n");
		goto err_start_queue;
	}

	return 0;

err_start_queue:
	spi_destroy_queue(master);
err_init_queue:
	return ret;
}

在分析spi_init_queue函数之前，先介绍下什么是工作线程。要完成工作的话，得有工人和工作。kthread_worker代表工人，而kthread_work代表工作，定义于include/linux/kthread.h。

struct kthread_worker {
	unsigned int		flags;

	spinlock_t		lock;
	
	//kthread_work会链接在这链表上，相当于流水线
	struct list_head	work_list;

	struct list_head	delayed_work_list;

	//为该kthread_worker执行任务的线程对于的task_struct	
	struct task_struct	*task;

	//当前正在处理的kthread_work 
	struct kthread_work	*current_work;
};

struct kthread_work {
	struct list_head	node;

	//执行函数，该kthread_work所要做的事情
	kthread_work_func_t	func;

	//指向处理该kthread_work的kthread_worker 
	struct kthread_worker	*worker;

	/* Number of canceling calls that are running at the moment. */
	int			canceling;
};

工作线程即是创建一个内线线程，内核线程执行kthread_worker_fn函数，在该函数会从kthread_worker的work_list链表里，取出每个kthread_work然后执行kthread_work里的func函数。
spi_init_queue函数主要做创建线程，初始化kthread_worker等工作。

static int spi_init_queue(struct spi_master *master)
{
	struct sched_param param = { .sched_priority = MAX_RT_PRIO - 1 };

	master->running = false;
	master->busy = false;

	//初始化spi_master里的kthread_worker
	kthread_init_worker(&master->kworker);

	//创建一个内核线程，执行函数为kthread_worker_fn
	master->kworker_task = kthread_run(kthread_worker_fn,
					   &master->kworker, "%s",
					   dev_name(&master->dev));
	
	......

	//初始化spi_master里的kthread_work，把func设置为spi_pump_messages
	kthread_init_work(&master->pump_messages, spi_pump_messages);

	......
		
	
}

初始化完后，调用spi_start_queue函数开始工作：

static int spi_start_queue(struct spi_master *master)
{
	unsigned long flags;

	......

	//把spi_master->kthread_work放入spi_master->kthread_worker的work_list链表，并唤醒工作线程
	kthread_queue_work(&master->kworker, &master->pump_messages);

	return 0;
}

工人和工作都有了，准备就绪，看看kthread_worker_fn函数：

int kthread_worker_fn(void *worker_ptr)
{
	struct kthread_worker *worker = worker_ptr;
	struct kthread_work *work;

	......

repeat:

	......

	work = NULL;
	spin_lock_irq(&worker->lock);

	//判断work_list链表是否空
	if (!list_empty(&worker->work_list)) {

		//不空，则取出第一个kthread_work 
		work = list_first_entry(&worker->work_list,
					struct kthread_work, node);
		list_del_init(&work->node);
	}
	worker->current_work = work;
	spin_unlock_irq(&worker->lock);

	//如果存在kthread_work 
	if (work) {
		__set_current_state(TASK_RUNNING);
		work->func(work);    //执行工作，调用spi_pump_messages函数
	} else if (!freezing(current))
		schedule();    //无工作则睡眠

	try_to_freeze();
	goto repeat;

}

存在kthread_work，调用里面的func函数，即spi_pump_messages：

static void spi_pump_messages(struct kthread_work *work)
{
	struct spi_master *master =
		container_of(work, struct spi_master, pump_messages);

	__spi_pump_messages(master, true);
}


static void __spi_pump_messages(struct spi_master *master, bool in_kthread)
{
	unsigned long flags;
	bool was_busy = false;
	int ret;

	......

	/* 如果spi_master->queue里没有messages */
	if (list_empty(&master->queue) || !master->running) {
		
		......

		//调用spi_master->unprepare_transfer_hardware释放相关硬件资源
		if (master->unprepare_transfer_hardware &&
		    master->unprepare_transfer_hardware(master))
			dev_err(&master->dev,
				"failed to unprepare transfer hardware\n");
		
		......

		return;
	}
	
	//spi_master->queue里有messages，取出第一个messages
	master->cur_msg =
		list_first_entry(&master->queue, struct spi_message, queue);

	......

	//调用spi_master->prepare_transfer_hardware准备必要的硬件资源
	if (!was_busy && master->prepare_transfer_hardware) {
		ret = master->prepare_transfer_hardware(master);
	
		......


	}

	trace_spi_message_start(master->cur_msg);

	//调用spi_master->prepare_message对spi_message进行预处理
	if (master->prepare_message) {
		ret = master->prepare_message(master, master->cur_msg);
		
		......

		master->cur_msg_prepared = true;
	}

	......

	//最后调用spi_master->transfer_one_message传输一个spi_message
	ret = master->transfer_one_message(master, master->cur_msg);
	
	......

}

前面分析spi_master_initialize_queue函数时，如果驱动未提供transfer_one_message则设置为spi_transfer_one_message，那么就来分析这个函数：

static int spi_transfer_one_message(struct spi_master *master,
				    struct spi_message *msg)
{
	struct spi_transfer *xfer;
	bool keep_cs = false;
	int ret = 0;
	unsigned long long ms = 1;
	struct spi_statistics *statm = &master->statistics;
	struct spi_statistics *stats = &msg->spi->statistics;

	//片选
	spi_set_cs(msg->spi, true);

	......

	//取出每个spi_transfer，调用spi_master ->transfer_one函数发送
	list_for_each_entry(xfer, &msg->transfers, transfer_list) {
		trace_spi_transfer_start(msg, xfer);

		......


		if (xfer->tx_buf || xfer->rx_buf) {
			reinit_completion(&master->xfer_completion);
			
			ret = master->transfer_one(master, msg->spi, xfer);
			
			......

		} 
		
		......

out:
	if (ret != 0 || !keep_cs)
		spi_set_cs(msg->spi, false);

	......

	//当前的message传输完成，做相关处理
	spi_finalize_current_message(master);

	return ret;
}

spi_finalize_current_message：

void spi_finalize_current_message(struct spi_master *master)
{
	struct spi_message *mesg;
	unsigned long flags;
	int ret;

	......
	//调用master->unprepare_message释放一些资源
	if (master->cur_msg_prepared && master->unprepare_message) {
		ret = master->unprepare_message(master, mesg);
		if (ret) {
			dev_err(&master->dev,
				"failed to unprepare message: %d\n", ret);
		}
	}

	......
	
	//重新放入kworker
	kthread_queue_work(&master->kworker, &master->pump_messages);

	......

	//处理完message，调用spi_master->complete
	if (mesg->complete)
		mesg->complete(mesg->context);
}

对于设备驱动程序来讲，之后调用spi_sync或spi_async函数即可发起一个message请求，队列化和工作线程被激活，触发一系列的操作，最终完成message的传输操作。

int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
	struct spi_master *master = spi->master;
	int ret;
	unsigned long flags;

	//检查spi_message 
	ret = __spi_validate(spi, message);
	if (ret != 0)
		return ret;

	spin_lock_irqsave(&master->bus_lock_spinlock, flags);

	if (master->bus_lock_flag)
		ret = -EBUSY;
	else
		ret = __spi_async(spi, message); //发起异步传输

	spin_unlock_irqrestore(&master->bus_lock_spinlock, flags);

	return ret;
}



static int __spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
	struct spi_master *master = spi->master;

	message->spi = spi;
	
	......

	//调用spi_master->transfer，前面代码分析，采用队列化机制的话，被设置为spi_queued_transfer
	return master->transfer(spi, message);
}

spi_queued_transfer：

static int spi_queued_transfer(struct spi_device *spi, struct spi_message *msg)
{
	return __spi_queued_transfer(spi, msg, true);
}


static int __spi_queued_transfer(struct spi_device *spi,
				 struct spi_message *msg,
				 bool need_pump)
{
	struct spi_master *master = spi->master;
	unsigned long flags;

	spin_lock_irqsave(&master->queue_lock, flags);
	
	......

	
	//把spi_message放入spi_message->queue链表
	list_add_tail(&msg->queue, &master->queue);
	if (!master->busy && need_pump)

		/* 重新把spi_message->pump_messages这个kthread_work放入spi_message->kworker
     * 并唤醒工作线程
     */
		kthread_queue_work(&master->kworker, &master->pump_messages);

	spin_unlock_irqrestore(&master->queue_lock, flags);
	return 0;
}

最后总结一下spi_async函数执行流程图，如下：
在这里插入图片描述

通用spi设备驱动

内核提供了一个通用的SPI外设驱动，驱动文件为driver/spi/spidev.c。
入口函数：

static int __init spidev_init(void)
{
	int status;

	......

	//注册字符设备，主设备号为153，file_operations为spidev_fops
	status = register_chrdev(SPIDEV_MAJOR, "spi", &spidev_fops);
	if (status < 0)
		return status;

	//创建class
	spidev_class = class_create(THIS_MODULE, "spidev");
	if (IS_ERR(spidev_class)) {
		unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi_driver.driver.name);
		return PTR_ERR(spidev_class);
	}

	//注册spi驱动
	status = spi_register_driver(&spidev_spi_driver);
	if (status < 0) {
		class_destroy(spidev_class);
		unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi_driver.driver.name);
	}
	return status;
}

static struct spi_driver spidev_spi_driver = {
	.driver = {
		.name =		"spidev",
		.of_match_table = of_match_ptr(spidev_dt_ids),
		.acpi_match_table = ACPI_PTR(spidev_acpi_ids),
	},
	.probe =	spidev_probe,
	.remove =	spidev_remove,

};

驱动与设备匹配，调用spidev_probe：

struct spidev_data {
	dev_t			devt;
	spinlock_t		spi_lock;
	struct spi_device	*spi;

	//用于插入全局链表device_list
	struct list_head	device_entry;

	struct mutex		buf_lock;
	unsigned		users;

	//保存用户空间传入的数据
	u8			*tx_buffer;

	//用于接收设备的数据
	u8			*rx_buffer;
	u32			speed_hz;
};


static int spidev_probe(struct spi_device *spi)
{
	struct spidev_data	*spidev;
	int			status;
	unsigned long		minor;

	......

	/* 分配一个struct spidev_data，用于保存设备相关信息 */
	spidev = kzalloc(sizeof(*spidev), GFP_KERNEL);
	if (!spidev)
		return -ENOMEM;

	/* 初始化spidev_data */
	spidev->spi = spi;
	spin_lock_init(&spidev->spi_lock);
	mutex_init(&spidev->buf_lock);

	INIT_LIST_HEAD(&spidev->device_entry);


	mutex_lock(&device_list_lock);
	minor = find_first_zero_bit(minors, N_SPI_MINORS);
	if (minor < N_SPI_MINORS) {
		struct device *dev;

		spidev->devt = MKDEV(SPIDEV_MAJOR, minor);
		//创建设备文件
		dev = device_create(spidev_class, &spi->dev, spidev->devt,
				    spidev, "spidev%d.%d",
				    spi->master->bus_num, spi->chip_select);
		status = PTR_ERR_OR_ZERO(dev);
	} else {
		dev_dbg(&spi->dev, "no minor number available!\n");
		status = -ENODEV;
	}
	if (status == 0) {
		set_bit(minor, minors);

		//把spidev_data插入全局链表device_list
		list_add(&spidev->device_entry, &device_list);
	}
	mutex_unlock(&device_list_lock);

	spidev->speed_hz = spi->max_speed_hz;

	if (status == 0)
		spi_set_drvdata(spi, spidev);
	else
		kfree(spidev);

	return status;
}

这个驱动程序为用户空间提供了统一的接口：

static const struct file_operations spidev_fops = {
	.owner =	THIS_MODULE,
	.write =	spidev_write,
	.read =		spidev_read,
	.unlocked_ioctl = spidev_ioctl,
	.compat_ioctl = spidev_compat_ioctl,
	.open =		spidev_open,
	.release =	spidev_release,
	.llseek =	no_llseek,
};

当应用层open时，会调用到spidev_fops的open函数：

static int spidev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct spidev_data	*spidev;
	int			status = -ENXIO;

	mutex_lock(&device_list_lock);

	list_for_each_entry(spidev, &device_list, device_entry) {
		if (spidev->devt == inode->i_rdev) {
			status = 0;
			break;
		}
	}

	......

	//分配发送buf，大小为4096
	if (!spidev->tx_buffer) {
		spidev->tx_buffer = kmalloc(bufsiz, GFP_KERNEL);
		if (!spidev->tx_buffer) {
			dev_dbg(&spidev->spi->dev, "open/ENOMEM\n");
			status = -ENOMEM;
			goto err_find_dev;
		}
	}

	//分配buf缓存
	if (!spidev->rx_buffer) {
		spidev->rx_buffer = kmalloc(bufsiz, GFP_KERNEL);
		if (!spidev->rx_buffer) {
			dev_dbg(&spidev->spi->dev, "open/ENOMEM\n");
			status = -ENOMEM;
			goto err_alloc_rx_buf;
		}
	}

	......

}

当应用层write时，会调用到spidev_fops的write函数进行发送数据：

static ssize_t
spidev_write(struct file *filp, const char __user *buf,
		size_t count, loff_t *f_pos)
{
	struct spidev_data	*spidev;
	ssize_t			status = 0;
	unsigned long		missing;

	/* chipselect only toggles at start or end of operation */
	if (count > bufsiz)
		return -EMSGSIZE;

	spidev = filp->private_data;

	mutex_lock(&spidev->buf_lock);

	//拷贝数据到发送buf，
	missing = copy_from_user(spidev->tx_buffer, buf, count);
	if (missing == 0)
		//同步发送
		status = spidev_sync_write(spidev, count);
	else
		status = -EFAULT;
	mutex_unlock(&spidev->buf_lock);

	return status;
}


static inline ssize_t
spidev_sync_write(struct spidev_data *spidev, size_t len)
{
	//构造一个struct spi_message
	struct spi_transfer	t = {
			.tx_buf		= spidev->tx_buffer,
			.len		= len,
			.speed_hz	= spidev->speed_hz,
		};
	struct spi_message	m;

	spi_message_init(&m);
	spi_message_add_tail(&t, &m);
	
	//发送spi_message
	return spidev_sync(spidev, &m);
}

进行复杂的数据传输时，通过ioctl命令，如下使用例子：


struct spi_ioc_transfer xfer;

......

//初始化xfer

//传输数据
ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);

......

struct spi_ioc_transfer结构体跟struct spi_transfer结构体类似，定义如下：

struct spi_ioc_transfer {
	__u64		tx_buf;
	__u64		rx_buf;

	__u32		len;
	__u32		speed_hz;

	__u16		delay_usecs;
	__u8		bits_per_word;
	__u8		cs_change;
	__u8		tx_nbits;
	__u8		rx_nbits;
	__u16		pad;

};

当应用层ioctl时，会调用到spidev_fops的spidev_ioctl函数，对于通过ioctl命令进行数据传输：

static long
spidev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int			err = 0;
	int			retval = 0;
	struct spidev_data	*spidev;
	struct spi_device	*spi;
	u32			tmp;
	unsigned		n_ioc;
	struct spi_ioc_transfer	*ioc;

	......

	switch (cmd) {
	
	......

	default:
		//拷贝用户空间传入的参数到内核空间
		ioc = spidev_get_ioc_message(cmd,
				(struct spi_ioc_transfer __user *)arg, &n_ioc);

		......

		//用spi_ioc_transfer构建spi_message，最终调用spi_sync
		retval = spidev_message(spidev, ioc, n_ioc);
		kfree(ioc);
		break;
	}

	......

}

http://www.niftyadmin.cn/n/3657300.html

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