嵌入式linux系统的开发——SPI Bit-banging方法的实现

前言

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种应用广泛的通信总线，通常微处理器上会集成SPI模块以支持该通信协议，输出正确的信号的时序，并保证时序间同步，实现与外部SPI设备正常通信。当需要使用微处理器上SPI模块，但发现引脚被占用时，那么可以通过SPI Bit-banging这个方法，通过GPIO端口模拟SPI接口引脚（CS、MOSI、MISO、CLK）上的时序信号来实现SPI协议，与对应SPI设备进行通信。以下为MT7688芯片的SPI读写时序图。本文主要介绍如何在嵌入式linux发行版平台上实现SPI Bit-banging功能。

设备树语法和格式

嵌入式linux系统引入了设备树（Device Tree）机制，采用这种数据结构将硬件信息组织成DTS（Device Tree source）文件用于描述板级设备。设备树由基本单元——节点（node）组织成树状结构，一个设备树只有一个根节点（root node），根节点中可包含若干子节点，每个子节点可以同时包含若干属性和下一级子节点，属性用于描述了节点的具体特征。
以下为.dts文件中最基本的树结构，“/”表示根节点，根节点下的两个子节点分别为“node1”和“node2”，“node1”和“node2”又各自包含了子节点，如“child-node1”和“child-node2”。文件中若干键－值对，为分散在设备树中的属性。

/ {
    node1 {
        a-string-property = "A string";
        a-string-list-property = "first string", "second string";
        a-byte-data-property = [0x01 0x23 0x34 0x56];
        child-node1 {
            first-child-property;
            second-child-property = <1>;
            a-string-property = "Hello, world";
        };
        child-node2 {
        };
    };
    node2 {
        an-empty-property;
        a-cell-property = <1 2 3 4>; /* each number (cell) is a uint32 */
        child-node1 {
        };
    };
};

由于以上的.dts文件并没有描述任何硬件设备的特征，下面以openwrt发行版上的MT7628dts文件为例对设备树进行具体说明。每个节点以“<名称>[@<设备地址>]”形式命名，当该节点描述的设备存在设备地址时需在名称后加上主地址，同时节点中以reg=<地址1 长度1] [地址2 长度2] [地址3 长度3] ... >方式列出设备使用的地址范围，父节点的 #address-cells 和 #size-cells 属性声明reg中各字段的数量。节点中的compatible属性表示使用哪个设备驱动绑定到当前节点描述的设备上。

Mt7628an.dtsi文件部分代码：
/ {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "ralink,mtk7628an-soc";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "mips,mips24KEc";
        };
    };

    chosen {
        bootargs = "console=ttyS0,57600";
    };
    ......
    palmbus: palmbus@10000000 {
        compatible = "palmbus";
        reg = <0x10000000 0x200000>;
        ranges = <0x0 0x10000000 0x1FFFFF>;

        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;

        sysc: sysc@0 {
            compatible = "ralink,mt7620a-sysc";
            reg = <0x0 0x100>;
        };
        gpio@600 {
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;

            compatible = "mtk,mt7628-gpio", "mtk,mt7621-gpio";
            reg = <0x600 0x100>;

            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <6>;

            gpio0: bank@0 {
                reg = <0>;
                compatible = "mtk,mt7621-gpio-bank";
                gpio-controller;
                #gpio-cells = <2>;
            };

            gpio1: bank@1 {
                reg = <1>;
                compatible = "mtk,mt7621-gpio-bank";
                gpio-controller;
                #gpio-cells = <2>;
            };

            gpio2: bank@2 {
                reg = <2>;
                compatible = "mtk,mt7621-gpio-bank";
                gpio-controller;
                #gpio-cells = <2>;
            };
        };

        spi0: spi@b00 {
            compatible = "ralink,mt7621-spi";
            reg = <0xb00 0x100>;

            resets = <&rstctrl 18>;
            reset-names = "spi";

            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;

            pinctrl-names = "default";
            pinctrl-0 = <&spi_pins>;

            status = "disabled";
        };
        ......
    };

    pinctrl: pinctrl {
        compatible = "ralink,rt2880-pinmux";
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&state_default>;

        state_default: pinctrl0 {
        };

        spi_pins: spi {
            spi {
                ralink,group = "spi";
                ralink,function = "spi";
            };
        };

        spi_cs1_pins: spi_cs1 {
            spi_cs1 {
                ralink,group = "spi cs1";
                ralink,function = "spi cs1";
            };
        };
        ......
    };
};

SPI Bit-banging实现

嵌入式Linux内核中已提供SPI Bit-banging驱动代码，只需进行对应的配置即可使用。

首先在openwrt_widora-master/target/linux/ramips/dts路径下修改Widora.dts文件，将配置代码加入根节点中，并且在pinctrl中将Spis功能的引脚申明为GPIO引脚，驱动文件为drivers/spi路径下的spi-gpio.c，函数中注册的驱动名称为spi_gpio，与 compatible属性对应。

dts文件部分代码：
    gpio-spi {
         status = "okay";
        compatible = "spi-gpio";
        #address-cells = <0x1>;
        ranges;

        gpio-sck = <&gpio0 14 1>;
        gpio-miso = <&gpio0 15 1>;
        gpio-mosi = <&gpio0 16 1>;
        cs-gpios = <&gpio0 17 1>;
        num-chipselects = <1>;
    }

spi-gpio.c文件部分代码：
#define DRIVER_NAME    "spi_gpio"
static struct platform_driver spi_gpio_driver = {
    .driver = {
        .name    = DRIVER_NAME,
        .owner    = THIS_MODULE,
        .of_match_table = of_match_ptr(spi_gpio_dt_ids),
    },
    .probe        = spi_gpio_probe,
    .remove        = spi_gpio_remove,
};
module_platform_driver(spi_gpio_driver);

其次在OpenWrt的配置界面中选择Kernel modules–> SPI Support –>kmod-spi-gpio，选中后会自动关联 kmod-spi-bitbang模块。

最后编译内核并烧录固件。内核启动后通过lsmod命令查看已经加载到内核中的模块的状态信息，可发现内核已经加载了spi_bitbang和spi_gpio模块。

在spi-gpio.c文件的spi_gpio_probe函数加入printk语句观察可获悉到spi-gpio驱动在启动时被加载运行，并且从dts文件中获取到定义为SPI Bit-banging功能的GPIO引脚。

结论

SPI的bit-bang方式实现SPI协议虽然可以不依赖于控制器上的SPI外设模块，但是需要代码完成时序逻辑和同步要求，相对来说性能低于控制器自身的SPI模块，因此仅适用于低速要求的应用场合。