利用Linux的SPI子系统和SPI总线写出SPI设备(DAC模块)的驱动

于 2025-03-29 10:12:16 发布
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分类专栏： 嵌入式_Linux 文章标签： SPI DAC
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146524645
版权

Linux的SPI子系统的原理和相关接口函数的介绍

关于Linux的SPI子系统的原理和相关接口函数的介绍，请参考博文
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146551375

SPI总线的相关知识

请参考下面两篇博文：
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146467895 【这篇主要是讲SPI总线的理论】

https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 【这篇是应用SPI总线的实例】

自己写的SPI设备(DAC模块)的驱动程序

完整源代码(dac_drv.c)

/*
 * Simple synchronous userspace interface to SPI devices
 *
 * Copyright (C) 2006 SWAPP
 *	Andrea Paterniani <a.paterniani@swapp-eng.it>
 * Copyright (C) 2007 David Brownell (simplification, cleanup)
 *
 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
 * it under the terms of the GNU General Public License as published by
 * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
 * (at your option) any later version.
 *
 * This program is distributed in the hope that it will be useful,
 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 * GNU General Public License for more details.
 */

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/err.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/compat.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_device.h>
#include <linux/acpi.h>

#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/spi/spidev.h>

#include <linux/uaccess.h>

#define SPI_IOC_WR 123

/*-------------------------------------------------------------------------*/

static struct spi_device *dac;
static int major;

static long
spidev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int val;
	int err;
	unsigned char tx_buf[2];	
	unsigned char rx_buf[2];	

	struct spi_message	msg;
	struct spi_transfer	xfer[1];
	int status;

	memset(&xfer[0], 0, sizeof(xfer));
	
	/* copy_from_user */
	err = copy_from_user(&val, (const void __user *)arg, sizeof(int));

	printk("spidev_ioctl get val from user: %d\n", val);

	/* 发起SPI传输:     */

	/* 1. 把val修改为正确的格式 */
	val <<= 2;     /* bit0,bit1 = 0b00 */
	val &= 0xFFC;  /* 只保留10bit */

	tx_buf[1] = val & 0xff;
	tx_buf[0] = (val>>8) & 0xff;	

	/* 2. 发起SPI传输同时写\读 */
	/* 2.1 构造transfer
	 * 2.2 加入message
	 * 2.3 调用spi_sync
	 */
	xfer[0].tx_buf = tx_buf;
	xfer[0].rx_buf = rx_buf;
	xfer[0].len = 2;

	spi_message_init(&msg);
	spi_message_add_tail(&xfer[0], &msg);
	
	status = spi_sync(dac, &msg);

	/* 3. 修改读到的数据的格式 */
	val = (rx_buf[0] << 8) | (rx_buf[1]);
	val >>= 2;

	/* copy_to_user */
	err = copy_to_user((void __user *)arg, &val, sizeof(int));
	
	return 0;
}


static const struct file_operations spidev_fops = {
	.owner =	THIS_MODULE,
	/* REVISIT switch to aio primitives, so that userspace
	 * gets more complete API coverage.  It'll simplify things
	 * too, except for the locking.
	 */
	.unlocked_ioctl = spidev_ioctl,
};

/*-------------------------------------------------------------------------*/

/* The main reason to have this class is to make mdev/udev create the
 * /dev/spidevB.C character device nodes exposing our userspace API.
 * It also simplifies memory management.
 */

static struct class *spidev_class;

static const struct of_device_id spidev_dt_ids[] = {
	{ .compatible = "ti,tlc5615" },
	{},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, spidev_dt_ids);


/*-------------------------------------------------------------------------*/

static int spidev_probe(struct spi_device *spi)
{
	/* 1. 记录spi_device */
	dac = spi;

	/* 2. 注册字符设备 */
	major = register_chrdev(0, "swh_dac_major", &spidev_fops);
	spidev_class = class_create(THIS_MODULE, "swh_dac_class");
	device_create(spidev_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "swh_spidac");	

	return 0;
}

static int spidev_remove(struct spi_device *spi)
{
	/* 反注册字符设备 */
	device_destroy(spidev_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(spidev_class);
	unregister_chrdev(major, "swh_dac_major");

	return 0;
}

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

	/* NOTE:  suspend/resume methods are not necessary here.
	 * We don't do anything except pass the requests to/from
	 * the underlying controller.  The refrigerator handles
	 * most issues; the controller driver handles the rest.
	 */
};

/*-------------------------------------------------------------------------*/

static int __init spidev_init(void)
{
	int status;

	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	status = spi_register_driver(&spidev_spi_driver);
	if (status < 0) {
	}
	return status;
}
module_init(spidev_init);

static void __exit spidev_exit(void)
{
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	spi_unregister_driver(&spidev_spi_driver);
}
module_exit(spidev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

代码分析说明

在看完下面两篇博文：
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146467895 【这篇主要是讲SPI总线的理论】
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 【这篇是应用SPI总线的实例】
并结合之前各种设备总线的学习，整个代码就很容易理解了，这里只把其中需要注意的说一下。

代码(const void __user *)arg

在这里插入图片描述

err = copy_from_user(&val, (const void __user *)arg, sizeof(int));

在Linux内核编程中，(const void __user *)arg 是用于进行用户空间与内核空间数据交换的关键操作。具体解释如下：

  1. arg 参数
    在这个驱动程序的 spidev_ioctl 函数中，arg 是一个传递给IO控制命令（ioctl）的参数，通常是用户空间传递给内核空间的数据。IO控制命令允许用户空间程序与驱动程序进行通信，而arg就是其中传递数据的载体。

  2. const void __user *

  • const：表示指针指向的内存内容不可修改。即你不能通过这个指针修改数据，通常是因为该数据来自用户空间，内核通常不直接修改用户空间的内容，而是进行读取。

  • void：表示该指针类型是泛型指针，可以指向任何类型的数据。由于函数的实际传入数据类型在此时并不确定，因此使用void *来处理所有类型的输入。

  • __user：这是Linux内核特有的标识符，用于指定该指针指向用户空间的内存区域。内核区分不同内存地址的作用，__user标签明确告诉编译器和开发者该指针指向的是用户空间，而非内核空间。这是内核编程中非常重要的一部分，因为内核空间与用户空间的内存是隔离的，不允许直接访问。

  1. (const void __user *)arg
    这一段代码的作用是将用户传递进来的arg指针（它是一个指向用户空间的地址）转换为一个指向用户空间的常量指针。
  • arg 是用户空间传递的地址，它实际上是一个指向用户空间数据的指针。
  • (const void __user *)arg 是将这个指针强制转换为一个特殊类型的指针，明确表示它指向的是用户空间的数据。

为什么需要这样转换？
Linux内核和用户空间之间有严格的内存隔离，内核不能直接访问用户空间的数据。因此，需要使用内核提供的安全机制（如copy_from_user和copy_to_user等函数）来进行数据传输。同时，为了避免非法修改用户数据，内核通过__user标记指针，这样可以在编译时捕获到潜在的错误。

总结
(const void __user *)arg 这一部分代码是将从用户空间传递来的指针（arg）转换为可以安全访问用户空间数据的指针，并且保证数据不被修改。这是内核编程中进行用户空间和内核空间数据交换的必要操作。

结构体spidev_dt_ids的第1项的内容为什么是ti,tlc5615？

因为我之前在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 中写的设备树节点spidac: spidac@0的compatible属性值就为ti,tlc5615呀！
在这里插入图片描述

用户空间测试程序

完整源代码(dac_test.c)


/* 参考: tools\spi\spidev_fdx.c */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#include <linux/types.h>

#define SPI_IOC_WR 123  // 这个值随便写个就行,因为在传给驱动程序的ioctl调用函数后其实并没有用到,它对应用于驱动程序中ioctl调用函数的第2个参数cmd

/* dac_test /dev/swh_spidac <val> */

int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	unsigned int val;
	int status;

	unsigned char tx_buf[2];	
	unsigned char rx_buf[2];	
	
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s /dev/swh_spidac <val>\n", argv[0]);
		return 0;
	}

	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if (fd < 0) {
		printf("can not open %s\n", argv[1]);
		return 1;
	}

	val = strtoul(argv[2], NULL, 0);

	status = ioctl(fd, SPI_IOC_WR, &val); // SPI_IOC_WR在传给驱动程序的ioctl调用函数后其实并没有用到,它对应用于驱动程序中ioctl调用函数的第2个参数cmd
	if (status < 0) {
		printf("SPI_IOC_WR\n");
		return -1;
	}

	/* 打印 */
	printf("Last value is: %d\n", val);
	
	
	return 0;
}

代码分析说明

代码没什么好说的，对于现在的我来说，很简单了…

交叉编译出驱动模块和用户空间可执行程序

Makfile文件的书写

KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o dac_test dac_test.c

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order dac_test

obj-m	+= dac_drv.o

工程目录和文件复制到Ubuntu中

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

执行make命令生成驱动模块和可执行文件

在这里插入图片描述

复制dac_drv.ko和可执行文件到NFS目录中

复制dac_drv.ko和可执行文件到NFS目录中以备用。
在这里插入图片描述

不带DAC模块的上板测试

短接MOSI和MISO两个引脚

带DAC模块的测试很简单，就是把MOSI和MISO两个引脚用杜邦线短接就行了，这样MOSI的数据就直接传给MISO了，如下图所示：
在这里插入图片描述

加载驱动模块dac_drv.ko

注意：在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604已经写好并更新了设备树了，即内核中已经有了compatible属性值为ti,tlc5615，名字的spidac: spidac@0节点了。

接下来我们加载dac_drv.ko，并运行测试程序试一下。

打开串口终端→打开开发板→挂载网络文件系统

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt

先加载驱动模块：

insmod /mnt/spidac_myself_write/dac_drv.ko

在这里插入图片描述

检查是否有相应的驱动和设备树文件生成

然后我们看下是否有相应的驱动和设备树文件生成：

cat /proc/devices

在这里插入图片描述

ls /dev/swh_spidac*

在这里插入图片描述
可见有相关的设备树文件了，并且也符号之前我们对设备文件名的分析，所以如果后面应用程序要使用设备文件，就用路径“/dev/swh_spidac”

运行测试程序

然后运行下面的命令执行程序

/mnt/spidac_myself_write/dac_test /dev/swh_spidac 200

后面的200代表我给DAC模块输入的数字值。
在这里插入图片描述
然后再把值改为300：

/mnt/spidac_myself_write/dac_test /dev/swh_spidac 300

发现Last value 仍然是300
在这里插入图片描述

运行结果分析

上面的结果说明我们利用spidev.c间接操作SPI控制器，至少在操作SPI控制器的MOSI和MISO两个引脚是没有问题的。
但是片选信号的操作就有问题了，详情请在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 中搜索“韦老师远程给我操作了两个小时也没有找到问题”。

上板测试自己写出的驱动程序

将DAC模块插到扩展板的J2位置

根据博文https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604的记录(搜索“我们将把DAC扩展模块插到扩展板的SPI_A”)，我们应该将DAC模块插到扩展板的J2的位置上：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

加载驱动模块dac_drv.ko

注意：在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604已经写好并更新了设备树了，即内核中已经有了compatible属性值为ti,tlc5615，名字的spidac: spidac@0节点了。

接下来我们加载dac_drv.ko，并运行测试程序试一下。

打开串口终端→打开开发板→挂载网络文件系统

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt

先加载驱动模块：

insmod /mnt/spidac_myself_write/dac_drv.ko

在这里插入图片描述

检查是否有相应的驱动和设备树文件生成

然后我们看下是否有相应的驱动和设备树文件生成：

cat /proc/devices

在这里插入图片描述

ls /dev/swh_spidac*

在这里插入图片描述
可见有相关的设备树文件了，并且也符号之前我们对设备文件名的分析，所以如果后面应用程序要使用设备文件，就用路径“/dev/swh_spidac”

运行测试程序

然后运行下面的命令执行程序

/mnt/spidac_myself_write/dac_test /dev/swh_spidac 200

后面的200代表我给DAC模块输入的数字值。
在这里插入图片描述然后再把值改为300：

/mnt/spidac_myself_write/dac_test /dev/swh_spidac 300

发现Last value 仍然是0
在这里插入图片描述
再把值改为1000(DAC芯片的有效位数是10位，最大值为1023)

/mnt/spidac_myself_write/dac_test /dev/swh_spidac 300

发现Last value 仍然是0
在这里插入图片描述
并且DAC模块只有电源灯在亮，如下图所示：
在这里插入图片描述
之前在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 中也是这样的情况…
韦老师帮我找到了表面的原因但无法解决问题，详情在博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146455604 中搜索“韦老师远程给我操作了两个小时也没有找到问题”

附相关文件

VScode的工程目录

在这里插入图片描述
https://pan.baidu.com/s/1rOGM-gGnGN8vc-MMRTCOIA?pwd=iwfk

经过编译的工程目录

在这里插入图片描述
https://pan.baidu.com/s/1Je8ie3d80mgS1Gz5i-XzDg?pwd=xqrd

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