RK3568平台 SPI设备驱动，RK3568平台SPI设备驱动开发详解

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摘要：本文介绍了RK3568平台上SPI设备驱动的实现。首先概述了RK3568平台的特点和SPI设备的基本原理，然后详细描述了驱动的开发过程，包括驱动程序的架构设计、关键功能实现以及与其他组件的交互。强调了驱动在实际应用中的性能表现和重要性。该驱动为RK3568平台上的SPI设备提供了稳定、高效的通信支持。

一.SPI简介

SPI是许多不同设备使用的常见通信协议。例如，SD卡模块、RFID读卡器模块和2.4GHz无线发射机/接收器均使用SPI与微控制器进行通信。

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI的一个独特好处是数据可以不间断地传输。任何数量的位都可以在连续流中发送或接收。使用I2C和UART，数据以数据包方式发送，仅限于特定数量的位。启动和停止条件定义每个数据包的开始和结束，因此数据在传输过程中中断。

通过SPI通信的设备处于主从关系中。主机是控制装置（通常是微控制器)，而从机(通常是传感器、显示器或内存芯片）接受主机的指令。SPI最简单的配置是单主机、单从机系统，但一个主机可以控制多个从机。

RK3568平台 SPI设备驱动，RK3568平台SPI设备驱动开发详解第1张

MOSI（主机输出/从机输入）——主机向从机发送数据的线

MISO（主机输入/从机输出）——从机向主机发送数据的线

SCLK（时钟）——时钟信号线

SS/CS（从机选择/芯片选择）——用于主机选择给哪个从机发送数据的线

二.SPI的工作原理

时钟：

时钟是一个振荡信号，它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度由时钟信号的频率决定。SPI通信始终由主发起，并由主机配置和产生时钟信号。

设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步通信协议。SPI是一种同步通信协议。也有不使用时钟信号的异步方法。例如，在 UART通信中，双方被设置为预先配置的波特速率，该速率和时间决定数据传输的速度和时间。

从机选择：

RK3568平台 SPI设备驱动，RK3568平台SPI设备驱动开发详解第2张

主机可以通过将从机的CS/SS线设置为低电平来选择它想与哪个从机通信。在闲置、非传输状态下，从机选择线保持在高压水平。主机上如果可以提供多个CS/SS 引脚，允许多个从机并行连接。如果只有一个CS/SS 引脚存在，多个从机可以通过菊花链的形式连接到主机。

SPI数据传输原理：

主机输出时钟信号：

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主机拉低SS/CS片选信号，激活对应从机：

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主机通过MOSI线发送数据给从机，一次发送一位，从机读取收到的数据位：

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如果需要响应，从机则通过MISO线返回数据，一次发送一位，主机读取收到的数据位：

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三.SPI陀螺仪设备驱动

陀螺仪原理：

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角速度计

在三轴角速度计中，这三个轴通常表示物体绕空间中的三个互相垂直的轴旋转的角速度。具体定义如下：

X轴（Roll轴）：绕X轴的旋转产生的角速度。
Y轴（Pitch轴）：绕Y轴的旋转产生的角速度。
Z轴（Yaw轴）：绕Z轴的旋转产生的角速度。

加速度计

在三轴加速度计中，同样是以X轴、Y轴和Z轴为基准，表示物体在空间中的三个方向上的加速度。具体定义如下：

X轴：物体在X轴方向上的加速度。
Y轴：物体在Y轴方向上的加速度。
Z轴：物体在Z轴方向上的加速度。

spi_driver 结构体：

Linux 内核使用 spi_driver 结构体来表示 spi 设备驱动，我们在编写 SPI 设备驱动的时候需要实现 spi_driver 。spi_driver 结构体定义在 include/linux/spi/spi.h 文件中，结构体内容如下：

struct spi_driver { 
   const struct spi_device_id *id_table; 
   int (*probe)(struct spi_device *spi); 
   int (*remove)(struct spi_device *spi); 
   void (*shutdown)(struct spi_device *spi); 
   struct device_driver driver; 
};

spi_driver 注册函数为 spi_register_driver，函数原型如下：

int spi_register_driver(struct spi_driver *sdrv)

sdrv：要注册的 spi_driver。返回值：0，注册成功；赋值，注册失败。

spi_unregister_driver 函数完成 spi_driver 的注销，函数原型如下：

void spi_unregister_driver(struct spi_driver *sdrv)

sdrv：要注销的 spi_driver。返回值：无。

ICM20608陀螺仪驱动：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "icm20608reg.h"
#define ICM20608_CNT	1
#define ICM20608_NAME	"icm20608"
struct icm20608_dev {
	dev_t devid;				/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;			/* cdev 	*/
	struct class *class;		/* 类 		*/
	struct device *device;		/* 设备 	 */
	struct device_node	*nd; 	/* 设备节点 */
	int major;					/* 主设备号 */
	void *private_data;			/* 私有数据 		*/
	signed int gyro_x_adc;		/* 陀螺仪X轴原始值 	 */
	signed int gyro_y_adc;		/* 陀螺仪Y轴原始值		*/
	signed int gyro_z_adc;		/* 陀螺仪Z轴原始值 		*/
	signed int accel_x_adc;		/* 加速度计X轴原始值 	*/
	signed int accel_y_adc;		/* 加速度计Y轴原始值	*/
	signed int accel_z_adc;		/* 加速度计Z轴原始值 	*/
	signed int temp_adc;		/* 温度原始值 			*/
};
static struct icm20608_dev icm20608dev;
/*
 * @description	: 从icm20608读取多个寄存器数据
 * @param - dev:  icm20608设备
 * @param - reg:  要读取的寄存器首地址
 * @param - val:  读取到的数据
 * @param - len:  要读取的数据长度
 * @return 		: 操作结果
 */
static int icm20608_read_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, void *buf, int len)
{
	int ret = -1;
	unsigned char txdata[1];
	unsigned char * rxdata;
	struct spi_message m;
	struct spi_transfer *t;
	struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
    
	t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);	/* 申请内存 */
	if(!t) {
		return -ENOMEM;
	}
	rxdata = kzalloc(sizeof(char) * len, GFP_KERNEL);	/* 申请内存 */
	if(!rxdata) {
		goto out1;
	}
	/* 一共发送len+1个字节的数据，第一个字节为
	寄存器首地址，一共要读取len个字节长度的数据，*/
	txdata[0] = reg | 0x80;		/* 写数据的时候首寄存器地址bit8要置1 */			
	t->tx_buf = txdata;			/* 要发送的数据 */
    t->rx_buf = rxdata;			/* 要读取的数据 */
	t->len = len+1;				/* t->len=发送的长度+读取的长度 */
	spi_message_init(&m);		/* 初始化spi_message */
	spi_message_add_tail(t, &m);/* 将spi_transfer添加到spi_message队列 */
	ret = spi_sync(spi, &m);	/* 同步发送 */
	if(ret) {
		goto out2;
	}
	
    memcpy(buf , rxdata+1, len);  /* 只需要读取的数据 */
out2:
	kfree(rxdata);					/* 释放内存 */
out1:	
	kfree(t);						/* 释放内存 */
	
	return ret;
}
/*
 * @description	: 向icm20608多个寄存器写入数据
 * @param - dev:  icm20608设备
 * @param - reg:  要写入的寄存器首地址
 * @param - val:  要写入的数据缓冲区
 * @param - len:  要写入的数据长度
 * @return 	  :   操作结果
 */
static s32 icm20608_write_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, u8 *buf, u8 len)
{
	int ret = -1;
	unsigned char *txdata;
	struct spi_message m;
	struct spi_transfer *t;
	struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
	
	t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);	/* 申请内存 */
	if(!t) {
		return -ENOMEM;
	}
	
	txdata = kzalloc(sizeof(char)+len, GFP_KERNEL);
	if(!txdata) {
		goto out1;
	}
	
	/* 一共发送len+1个字节的数据，第一个字节为
	寄存器首地址，len为要写入的寄存器的集合，*/
	*txdata = reg & ~0x80;	/* 写数据的时候首寄存器地址bit8要清零 */
    memcpy(txdata+1, buf, len);	/* 把len个寄存器拷贝到txdata里，等待发送 */
	t->tx_buf = txdata;			/* 要发送的数据 */
	t->len = len+1;				/* t->len=发送的长度+读取的长度 */
	spi_message_init(&m);		/* 初始化spi_message */
	spi_message_add_tail(t, &m);/* 将spi_transfer添加到spi_message队列 */
	ret = spi_sync(spi, &m);	/* 同步发送 */
    if(ret) {
        goto out2;
    }
	
out2:
	kfree(txdata);				/* 释放内存 */
out1:
	kfree(t);					/* 释放内存 */
	return ret;
}
/*
 * @description	: 读取icm20608指定寄存器值，读取一个寄存器
 * @param - dev:  icm20608设备
 * @param - reg:  要读取的寄存器
 * @return 	  :   读取到的寄存器值
 */
static unsigned char icm20608_read_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg)
{
	u8 data = 0;
	icm20608_read_regs(dev, reg, &data, 1);
	return data;
}
/*
 * @description	: 向icm20608指定寄存器写入指定的值，写一个寄存器
 * @param - dev:  icm20608设备
 * @param - reg:  要写的寄存器
 * @param - data: 要写入的值
 * @return   :    无
 */	
static void icm20608_write_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, u8 value)
{
	u8 buf = value;
	icm20608_write_regs(dev, reg, &buf, 1);
}
/*
 * @description	: 读取ICM20608的数据，读取原始数据，包括三轴陀螺仪、
 * 				: 三轴加速度计和内部温度。
 * @param - dev	: ICM20608设备
 * @return 		: 无。
 */
void icm20608_readdata(struct icm20608_dev *dev)
{
	unsigned char data[14] = { 0 };
	icm20608_read_regs(dev, ICM20_ACCEL_XOUT_H, data, 14);
	dev->accel_x_adc = (signed short)((data[0] accel_y_adc = (signed short)((data[2] accel_z_adc = (signed short)((data[4] temp_adc    = (signed short)((data[6] gyro_x_adc  = (signed short)((data[8] gyro_y_adc  = (signed short)((data[10] gyro_z_adc  = (signed short)((data[12] private_data = &icm20608dev; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}
/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t icm20608_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off)
{
	signed int data[7];
	long err = 0;
	struct icm20608_dev *dev = (struct icm20608_dev *)filp->private_data;
	icm20608_readdata(dev);
	data[0] = dev->gyro_x_adc;
	data[1] = dev->gyro_y_adc;
	data[2] = dev->gyro_z_adc;
	data[3] = dev->accel_x_adc;
	data[4] = dev->accel_y_adc;
	data[5] = dev->accel_z_adc;
	data[6] = dev->temp_adc;
	err = copy_to_user(buf, data, sizeof(data));
	return 0;
}
/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int icm20608_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}
/* icm20608操作函数 */
static const struct file_operations icm20608_ops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = icm20608_open,
	.read = icm20608_read,
	.release = icm20608_release,
};
/*
 * ICM20608内部寄存器初始化函数 
 * @param  	: 无
 * @return 	: 无
 */
void icm20608_reginit(void)
{
	u8 value = 0;
	
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x80);
	mdelay(50);
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x01);
	mdelay(50);
	value = icm20608_read_onereg(&icm20608dev, ICM20_WHO_AM_I);
	printk("ICM20608 ID = %#X\r\n", value);	
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_SMPLRT_DIV, 0x00); 	/* 输出速率是内部采样率					*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_GYRO_CONFIG, 0x18); 	/* 陀螺仪±2000dps量程 				*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG, 0x18); 	/* 加速度计±16G量程 					*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_CONFIG, 0x04); 		/* 陀螺仪低通滤波BW=20Hz 				*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG2, 0x04); /* 加速度计低通滤波BW=21.2Hz 			*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_2, 0x00); 	/* 打开加速度计和陀螺仪所有轴 				*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_LP_MODE_CFG, 0x00); 	/* 关闭低功耗 						*/
	icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_FIFO_EN, 0x00);		/* 关闭FIFO						*/
}
 /*
  * @description     : spi驱动的probe函数，当驱动与
  *                    设备匹配以后此函数就会执行
  * @param - client  : i2c设备
  * @param - id      : i2c设备ID
  * 
  */	
static int icm20608_probe(struct spi_device *spi)
{
	/* 1、构建设备号 */
	if (icm20608dev.major) {
		icm20608dev.devid = MKDEV(icm20608dev.major, 0);
		register_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT, ICM20608_NAME);
	} else {
		alloc_chrdev_region(&icm20608dev.devid, 0, ICM20608_CNT, ICM20608_NAME);
		icm20608dev.major = MAJOR(icm20608dev.devid);
	}
	/* 2、注册设备 */
	cdev_init(&icm20608dev.cdev, &icm20608_ops);
	cdev_add(&icm20608dev.cdev, icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
	/* 3、创建类 */
	icm20608dev.class = class_create(THIS_MODULE, ICM20608_NAME);
	if (IS_ERR(icm20608dev.class)) {
		return PTR_ERR(icm20608dev.class);
	}
	/* 4、创建设备 */
	icm20608dev.device = device_create(icm20608dev.class, NULL, icm20608dev.devid, NULL, ICM20608_NAME);
	if (IS_ERR(icm20608dev.device)) {
		return PTR_ERR(icm20608dev.device);
	}
	/*初始化spi_device */
	spi->mode = SPI_MODE_0;	/*MODE0，CPOL=0，CPHA=0*/
	spi_setup(spi);
	icm20608dev.private_data = spi; /* 设置私有数据 */
	/* 初始化ICM20608内部寄存器 */
	icm20608_reginit();		
	return 0;
}
/*
 * @description     : i2c驱动的remove函数，移除i2c驱动的时候此函数会执行
 * @param - client 	: i2c设备
 * @return          : 0，成功;其他负值,失败
 */
static int icm20608_remove(struct spi_device *spi)
{
	/* 删除设备 */
	cdev_del(&icm20608dev.cdev);
	unregister_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
	/* 注销掉类和设备 */
	device_destroy(icm20608dev.class, icm20608dev.devid);
	class_destroy(icm20608dev.class);
	return 0;
}
/* 传统匹配方式ID列表 */
static const struct spi_device_id icm20608_id[] = {
	{"alientek,icm20608", 0},  
	{}
};
/* 设备树匹配列表 */
static const struct of_device_id icm20608_of_match[] = {
	{ .compatible = "alientek,icm20608" },
	{ /* Sentinel */ }
};
/* SPI驱动结构体 */	
static struct spi_driver icm20608_driver = {
	.probe = icm20608_probe,
	.remove = icm20608_remove,
	.driver = {
			.owner = THIS_MODULE,
		   	.name = "icm20608",
		   	.of_match_table = icm20608_of_match, 
		   },
	.id_table = icm20608_id,
};
		   
/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init icm20608_init(void)
{
	return spi_register_driver(&icm20608_driver);
}
/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit icm20608_exit(void)
{
	spi_unregister_driver(&icm20608_driver);
}
module_init(icm20608_init);
module_exit(icm20608_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

#ifndef ICM20608_H
#define ICM20608_H
#define ICM20608G_ID			0XAF	/* ID值 */
#define ICM20608D_ID			0XAE	/* ID值 */
/* ICM20608寄存器 
 *复位后所有寄存器地址都为0，除了
 *Register 107(0X6B) Power Management 1 	= 0x40
 *Register 117(0X75) WHO_AM_I 				= 0xAF或0xAE
 */
/* 陀螺仪和加速度自测(出产时设置，用于与用户的自检输出值比较） */
#define	ICM20_SELF_TEST_X_GYRO		0x00
#define	ICM20_SELF_TEST_Y_GYRO		0x01
#define	ICM20_SELF_TEST_Z_GYRO		0x02
#define	ICM20_SELF_TEST_X_ACCEL		0x0D
#define	ICM20_SELF_TEST_Y_ACCEL		0x0E
#define	ICM20_SELF_TEST_Z_ACCEL		0x0F
/* 陀螺仪静态偏移 */
#define	ICM20_XG_OFFS_USRH			0x13
#define	ICM20_XG_OFFS_USRL			0x14
#define	ICM20_YG_OFFS_USRH			0x15
#define	ICM20_YG_OFFS_USRL			0x16
#define	ICM20_ZG_OFFS_USRH			0x17
#define	ICM20_ZG_OFFS_USRL			0x18
#define	ICM20_SMPLRT_DIV			0x19
#define	ICM20_CONFIG				0x1A
#define	ICM20_GYRO_CONFIG			0x1B
#define	ICM20_ACCEL_CONFIG			0x1C
#define	ICM20_ACCEL_CONFIG2			0x1D
#define	ICM20_LP_MODE_CFG			0x1E
#define	ICM20_ACCEL_WOM_THR			0x1F
#define	ICM20_FIFO_EN				0x23
#define	ICM20_FSYNC_INT				0x36
#define	ICM20_INT_PIN_CFG			0x37
#define	ICM20_INT_ENABLE			0x38
#define	ICM20_INT_STATUS			0x3A
/* 加速度输出 */
#define	ICM20_ACCEL_XOUT_H			0x3B
#define	ICM20_ACCEL_XOUT_L			0x3C
#define	ICM20_ACCEL_YOUT_H			0x3D
#define	ICM20_ACCEL_YOUT_L			0x3E
#define	ICM20_ACCEL_ZOUT_H			0x3F
#define	ICM20_ACCEL_ZOUT_L			0x40
/* 温度输出 */
#define	ICM20_TEMP_OUT_H			0x41
#define	ICM20_TEMP_OUT_L			0x42
/* 陀螺仪输出 */
#define	ICM20_GYRO_XOUT_H			0x43
#define	ICM20_GYRO_XOUT_L			0x44
#define	ICM20_GYRO_YOUT_H			0x45
#define	ICM20_GYRO_YOUT_L			0x46
#define	ICM20_GYRO_ZOUT_H			0x47
#define	ICM20_GYRO_ZOUT_L			0x48
#define	ICM20_SIGNAL_PATH_RESET		0x68
#define	ICM20_ACCEL_INTEL_CTRL 		0x69
#define	ICM20_USER_CTRL				0x6A
#define	ICM20_PWR_MGMT_1			0x6B
#define	ICM20_PWR_MGMT_2			0x6C
#define	ICM20_FIFO_COUNTH			0x72
#define	ICM20_FIFO_COUNTL			0x73
#define	ICM20_FIFO_R_W				0x74
#define	ICM20_WHO_AM_I 				0x75
/* 加速度静态偏移 */
#define	ICM20_XA_OFFSET_H			0x77
#define	ICM20_XA_OFFSET_L			0x78
#define	ICM20_YA_OFFSET_H			0x7A
#define	ICM20_YA_OFFSET_L			0x7B
#define	ICM20_ZA_OFFSET_H			0x7D
#define	ICM20_ZA_OFFSET_L 			0x7E
#endif

应用编程测试：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "sys/ioctl.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd;
	char *filename;
	signed int databuf[7];
	unsigned char data[14];
	signed int gyro_x_adc, gyro_y_adc, gyro_z_adc;
	signed int accel_x_adc, accel_y_adc, accel_z_adc;
	signed int temp_adc;
	float gyro_x_act, gyro_y_act, gyro_z_act;
	float accel_x_act, accel_y_act, accel_z_act;
	float temp_act;
	int ret = 0;
	if (argc != 2) {
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}
	filename = argv[1];
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd