2025年09月27日玄貓（BlackCat）

SPI 客戶端與加速度計驅動程式開發

本文深入講解了在 Linux 系統下開發 SPI 客戶端驅動程式以及 ADXL345 加速度計驅動程式的步驟，包含 SPI 客戶端驅動程式的註冊、裝置樹的組態、驅動程式碼的撰寫以及中斷處理等關鍵環節。文章以 ADXL345 加速度計為例，詳細說明瞭如何設定 SPI 控制器、組態裝置樹節點、定義 SPI

嵌入式系統驅動程式開發

SPI Linux 驅動程式 ADXL345 裝置樹輸入裝置中斷處理

SPI 驅動程式開發涉及與硬體和核心互動，需要仔細設定才能確保裝置正常運作。首先，驅動程式必須正確註冊到 SPI 子系統，並與裝置樹中的硬體描述匹配。透過相容性字串，核心可以找到正確的驅動程式來控制硬體。在裝置樹中，必須定義 SPI 控制器和連線的裝置，包含必要的引數，例如時脈速度、中斷設定和晶片選擇。驅動程式碼本身需要處理 SPI 交易、讀寫裝置暫存器，以及管理中斷。以 ADXL345 加速度計為例，驅動程式需要讀取加速度資料並將其轉換為輸入事件，以便應用程式使用。

SPI 客戶端驅動程式開發

在這一章中，我們將探討如何開發 SPI 客戶端驅動程式，以控制加速計和混合訊號 I/O 裝置。首先，我們將介紹設定 SPI 客戶端驅動程式的主要步驟。

SPI 客戶端驅動程式註冊

SPI 子系統定義了一個 spi_driver 結構，該結構繼承自 device_driver 結構。每個 SPI 客戶端驅動程式都必須例項化和註冊到 SPI 匯流排核心。通常，您將實作一個單一的驅動程式結構，並從中例項化所有客戶端。驅動程式結構包含一般的存取例程，應初始化為零，除了您提供的欄位。

範例：ADXL345 加速計裝置的 `spi_driver` 定義

static struct spi_driver adxl345_driver = {
    .driver = {
        .name = "adxl345",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = adxl345_dt_ids,
    },
    .probe = adxl345_spi_probe,
    .remove = adxl345_spi_remove,
    .id_table = adxl345_id,
};
module_spi_driver(adxl345_driver);

module_spi_driver() 巨集用於註冊/登出驅動程式。

相容性字串定義

在您的 Linux SPI 驅動程式中，您將建立一個 of_device_id 結構陣列，指定相容性字串，該字串與裝置樹（DT）裝置節點的 compatible 屬性值相同。

static const struct of_device_id adxl345_dt_ids[] = {
    { .compatible = "arrow,adxl345", },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, adxl345_dt_ids);

驅動程式的 probe() 函式在 of_device_id 條目中的 compatible 欄位與 DT 裝置節點的 compatible 屬性匹配時被呼叫。probe() 函式負責使用從匹配的 DT 裝置節點取得的組態值初始化裝置，並將裝置註冊到適當的核心框架。

在裝置樹中宣告 SPI 裝置

在裝置樹中，SPI 控制器通常在描述處理器的 .dtsi 檔案中宣告。SPI 控制器的狀態通常設定為 "disabled"。

BCM2837 SPI 控制器的宣告範例

spi: spi@7e204000 {
    compatible = "brcm,bcm2835-spi";
    reg = <0x7e204000 0x200>;
    interrupts = <2 22>;
    clocks = <&clocks BCM2835_CLOCK_VPU>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    status = "disabled";
};

所需的屬性包括：

compatible：與 spi-bcm2835.c 驅動程式的相容值匹配。
reg：裝置的暫存器集偏移和長度。
interrupts：中斷訊號的列表。
clocks：輸入時鐘的列表。

SPI 裝置的宣告

SPI 裝置在板級/平台級別（arch/arm/boot/dts/bcm2710-rpi-3-b.dts）宣告為 SPI 主控制器的子節點。所需的和可選的屬性包括：

reg：裝置的晶片選擇位址。
compatible：SPI 裝置的名稱，應與驅動程式的 of_device_id 相容字串之一匹配。
spi-max-frequency：裝置的最大 SPI 時脈速度（Hz）。

範例：SPI 裝置宣告

&spi {
    cs-gpios = <&gpio 8 1>, <&gpio 7 1>;
    status = "okay";
    
    adxl345@0 {
        compatible = "arrow,adxl345";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <1000000>;
    };
};

程式碼解析

static const struct spi_device_id adxl345_id[] = {
    { .name = "adxl345", },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, adxl345_id);

此程式碼定義了一個名為 adxl345_id 的陣列，用於儲存 SPI 裝置的 ID。

內容解密：

此段程式碼的作用是定義 SPI 裝置的 ID，並將其註冊到核心中。透過定義相容性字串，驅動程式可以正確地匹配和初始化裝置。

SPI 加速度計輸入裝置驅動程式開發

在本次實驗中，我們將開發第一個SPI裝置的驅動程式，用於管理連線到SPI匯流排的加速度計裝置。我們將使用與前一個實驗相同的ADXL345 Accel click mikroBUS™配件板。

硬體連線描述

以下是連線描述：

將Raspberry Pi GPIO8（CE0）連線到ADXL345 CS（CS）
將Raspberry Pi SCLK連線到ADXL345 SCL（SCK）
將Raspberry Pi MISO連線到ADXL345 SDO（MISO）
將Raspberry Pi MOSI連線到ADXL345 SDI（MOSI）
將Raspberry Pi GPIO23連線到ADXL345 INT1（INT）

裝置樹描述

我們需要在bcm2710-rpi-3-b.dts裝置樹檔案中新增adxl345@0子節點，在spi0控制器主節點下。pinctrl-0屬性指向accel_int_pin引腳組態節點，其中GPIO23被複用為GPIO訊號。int-gpios屬性使GPIO23可供驅動程式使用，以便設定引腳方向為輸入並取得與該引腳相關聯的Linux IRQ編號。reg屬性提供CS編號。

&spi0 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&spi0_pins &spi0_cs_pins>;
    cs-gpios = <&gpio 8 1>, <&gpio 7 1>;
    Accel: ADXL345@0 {
        compatible = "arrow,adxl345";
        spi-max-frequency = <5000000>;
        spi-cpol;
        spi-cpha;
        reg = <0>;
        pinctrl-0 = <&accel_int_pin>;
        int-gpios = <&gpio 23 0>;
        interrupts = <23 1>;
        interrupt-parent = <&gpio>;
    };
};

accel_int_pin: accel_int_pin {
    brcm,pins = <23>;
    brcm,function = <0>; /* Input */
    brcm,pull = <0>; /* none */
};

內容解密：

此段裝置樹組態定義了SPI介面下的ADXL345加速度計裝置。其中：

compatible = "arrow,adxl345" 指定了裝置的相容性，使其與驅動程式匹配。
spi-max-frequency = <5000000> 設定SPI介面的最大頻率為5 MHz。
spi-cpol 和 spi-cpha 設定SPI的時脈極性和相位。
reg = <0> 指定了裝置的CS編號為0。
int-gpios = <&gpio 23 0> 設定GPIO23為中斷輸入引腳。
interrupts = <23 1> 和 interrupt-parent = <&gpio> 定義了中斷組態。

驅動程式碼描述

以下是驅動程式的主要程式碼段：

標頭檔引入

#include <linux/module.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/interrupt.h>

SPI交易指令定義

#define ADXL345_CMD_MULTB (1 << 6)
#define ADXL345_CMD_READ (1 << 7)
#define ADXL345_WRITECMD(reg) (reg & 0x3F)
#define ADXL345_READCMD(reg) (ADXL345_CMD_READ | (reg & 0x3F))
#define ADXL345_READMB_CMD(reg) (ADXL345_CMD_READ | ADXL345_CMD_MULTB | (reg & 0x3F))

內容解密：

這些巨集定義了用於與ADXL345裝置進行SPI交易的命令位元組。其中：

ADXL345_CMD_MULTB 設定多位元組讀取模式。
ADXL345_CMD_READ 設定讀取模式。
ADXL345_WRITECMD(reg)、ADXL345_READCMD(reg) 和 ADXL345_READMB_CMD(reg) 分別用於生成寫入、讀取和多位元組讀取命令。

ADXL345暫存器定義

#define DEVID 0x00 /* R Device ID */
#define THRESH_TAP 0x1D /* R/W Tap threshold */
#define DUR 0x21 /* R/W Tap duration */
#define TAP_AXES 0x2A /* R/W Axis control for tap/double tap */
#define ACT_TAP_STATUS 0x2B /* R Source of tap/double tap */
#define BW_RATE 0x2C /* R/W Data rate and power mode control */
#define POWER_CTL 0x2D /* R/W Power saving features control */
#define INT_ENABLE 0x2E /* R/W Interrupt enable control */
#define INT_MAP 0x2F /* R/W Interrupt mapping control */
#define INT_SOURCE 0x30 /* R Source of interrupts */
#define DATA_FORMAT 0x31 /* R/W Data format control */
#define DATAX0 0x32 /* R X-Axis Data 0 */
#define DATAX1 0x33 /* R X-Axis Data 1 */
#define DATAY0 0x34 /* R Y-Axis Data 0 */
#define DATAY1 0x35 /* R Y-Axis Data 1 */
#define DATAZ0 0x36 /* R Z-Axis Data 0 */
#define DATAZ1 0x37 /* R Z-Axis Data 1 */
#define FIFO_CTL 0x38 /* R/W FIFO control */

內容解密：

這些巨集定義了ADXL345裝置的暫存器位址，用於讀取和寫入裝置的設定和資料。其中包括裝置ID、點選閾值、資料率控制、中斷控制等。

ADXL345 加速度計驅動程式開發

前言

本章節將探討如何開發 ADXL345 加速度計的 Linux 驅動程式。ADXL345 是一款高解析度的加速度計，廣泛應用於各種裝置中，如手機、遊戲控制器和工業裝置等。為了使該裝置正常運作，我們需要編寫一個 Linux 驅動程式來與其進行互動。

驅動程式結構設計

1. 定義必要的巨集和資料結構

首先，我們需要定義一些巨集和資料結構來描述 ADXL345 的暫存器和操作。

#define FULL_RES (1 << 3)
/* FIFO_CTL Bits */
#define FIFO_MODE(x) (((x) & 0x3) << 6)
#define FIFO_BYPASS 0
#define FIFO_FIFO 1
#define FIFO_STREAM 2
#define SAMPLES(x) ((x) & 0x1F)

/* 定義一個結構來儲存 SPI 匯流排操作 */
struct adxl345_bus_ops {
    u16 bustype;
    int (*read)(struct device *, unsigned char);
    int (*read_block)(struct device *, unsigned char, int, void *);
    int (*write)(struct device *, unsigned char, unsigned char);
};

struct axis_triple {
    int x;
    int y;
    int z;
};

/* 定義一個結構來儲存特定驅動程式的資訊 */
struct adxl345_platform_data {
    u8 low_power_mode;
    u8 tap_threshold;
    u8 tap_duration;
    u8 tap_axis_control;
    u8 data_rate;
    u8 data_range;
    u32 ev_code_tap[3];
    u8 fifo_mode;
    u8 watermark;
};

2. 初始化 adxl345_bus_ops 結構

接下來，我們需要初始化 adxl345_bus_ops 結構，並將其傳遞給 adxl345_probe() 函式作為引數。

static const struct adxl345_bus_ops adxl345_spi_bops = {
    .bustype = BUS_SPI,
    .write = adxl345_spi_write,
    .read = adxl345_spi_read,
    .read_block = adxl345_spi_read_block,
};

static int adxl345_spi_probe(struct spi_device *spi)
{
    /* 建立一個私有結構 */
    struct adxl345 *ac;
    
    /* 初始化驅動程式並傳回初始化的私有結構 */
    ac = adxl345_probe(&spi->dev, &adxl345_spi_bops);
    
    /* 將 SPI 裝置附加到私有結構 */
    spi_set_drvdata(spi, ac);
    return 0;
}

#### 內容解密：

此段程式碼主要完成了以下工作：

定義必要的巨集：定義了與 ADXL345 相關的巨集，例如 FULL_RES、FIFO_MODE 等，用於控制暫存器。
定義資料結構：定義了 adxl345_bus_ops 和 adxl345_platform_data 結構，分別用於描述 SPI 匯流排操作和特定驅動程式的資訊。
初始化 adxl345_bus_ops 結構：初始化了 adxl345_spi_bops 結構，並將其傳遞給 adxl345_probe() 函式。

驅動程式初始化流程

1. adxl345_probe() 函式

adxl345_probe() 函式是驅動程式初始化的核心部分，它負責建立輸入裝置、設定初始暫存器值和註冊中斷處理程式。

struct adxl345 *adxl345_probe(struct device *dev, const struct adxl345_bus_ops *bops)
{
    /* 宣告私有結構 */
    struct adxl345 *ac;
    
    /* 建立輸入裝置 */
    struct input_dev *input_dev;
    
    /* 組態輸入裝置 */
    input_dev->name = "ADXL345 accelerometer";
    input_dev->phys = ac->phys;
    input_dev->dev.parent = dev;
    
    /* 設定事件型別和事件程式碼 */
    __set_bit(EV_KEY, input_dev->evbit);
    __set_bit(pdata->ev_code_tap[ADXL_X_AXIS], input_dev->keybit);
    
    /* 請求 threaded 中斷 */
    devm_request_threaded_irq(input_dev->dev.parent, ac->irq, NULL, adxl345_irq, IRQF_TRIGGER_HIGH | IRQF_ONESHOT, dev_name(dev), ac);
    
    /* 初始化 ADXL345 暫存器 */
    AC_WRITE(ac, THRESH_TAP, pdata->tap_threshold);
    AC_WRITE(ac, DUR, pdata->tap_duration);
    
    return ac;
}

#### 內容解密：

此段程式碼主要完成了以下工作：

建立輸入裝置：使用 devm_input_allocate_device() 建立了一個輸入裝置，並對其進行了組態。
設定事件型別和事件程式碼：設定了輸入裝置支援的事件型別和事件程式碼。
請求 threaded 中斷：使用 devm_request_threaded_irq() 請求了一個 threaded 中斷，用於處理單次點選中斷。
初始化 ADXL345 暫存器：使用 AC_WRITE() 對 ADXL345 的暫存器進行了初始化，設定了點選閾值和持續時間等引數。

中斷處理程式

1. 編寫 threaded 中斷處理程式

threaded 中斷處理程式用於處理單次點選中斷。

static irqreturn_t adxl345_irq(int irq, void *dev_id)
{
    /* 處理中斷 */
    return IRQ_HANDLED;
}

#### 內容解密：

此段程式碼主要完成了以下工作：

處理中斷：threaded 中斷處理程式用於處理單次點選中斷，並傳回 IRQ_HANDLED 表示中斷已被處理。

SPI 客戶端驅動程式開發

SPI 客戶端驅動程式註冊

範例：ADXL345 加速計裝置的 spi_driver 定義

相容性字串定義

在裝置樹中宣告 SPI 裝置

BCM2837 SPI 控制器的宣告範例

SPI 裝置的宣告

範例：SPI 裝置宣告

程式碼解析

內容解密：

SPI 加速度計輸入裝置驅動程式開發

硬體連線描述

裝置樹描述

內容解密：

驅動程式碼描述

標頭檔引入

SPI交易指令定義

內容解密：

ADXL345暫存器定義

內容解密：

ADXL345 加速度計驅動程式開發

前言

驅動程式結構設計

1. 定義必要的巨集和資料結構

2. 初始化 adxl345_bus_ops 結構

#### 內容解密：

驅動程式初始化流程

1. adxl345_probe() 函式

#### 內容解密：

中斷處理程式

1. 編寫 threaded 中斷處理程式

#### 內容解密：

範例：ADXL345 加速計裝置的 `spi_driver` 定義