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IMX6ULL SPI接口编程回环测试详解

文章目录

  • 一、SPI是什么？
  • 传输模式：
  • 数据交换：
  • 二、使能SPI驱动
  • 三、回环测试
  • 四、SPI编程实现数据传输
  • 1.SPI相关数据结构
  • 2.测试程序
  • 3.Makefile
  • 4.运行测试

    • 一、SPI是什么？

    SPI 是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI通常由一个主设备和一个或多个从设备组成。主设备选择一个从设备进行同步通信，以完成数据的交换。SPI通信采用环形结构，至少需要4根线进行连接，包括主设备数据输入（MISO）、主设备数据输出（MOSI）、时钟信号（SCLK）和片选信号（CS）。一般情况下，主设备与从设备的连接方式如下图所示：

  • 优点:支持全双工通信、通信简单、数据传输速率快。
  • 缺点:没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC 总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。

    • 传输模式：

    SPI通信涉及四种不同的模式，而不同的从设备可能在出厂时已被配置为特定的模式，无法更改。然而，为了确保主设备和从设备之间的通信一致，我们需要根据需求对主设备的SPI模式进行配置，通过控制时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来确定SPI主设备的通信模式。以下是四种常见的SPI模式：

    模式0：CPOL=0，CPHA=0。在这种模式下，串行时钟线（SCLK）在空闲状态时保持低电平。数据在SCLK的上升沿采样，在下降沿切换。

    模式1：CPOL=0，CPHA=1。在这种模式下，串行时钟线（SCLK）在空闲状态时保持低电平。数据在SCLK的下降沿采样，在上升沿切换。

    模式2：CPOL=1，CPHA=0。在这种模式下，串行时钟线（SCLK）在空闲状态时保持高电平。数据在SCLK的下降沿采样，在上升沿切换。

    模式3：CPOL=1，CPHA=1。在这种模式下，串行时钟线（SCLK）在空闲状态时保持高电平。数据在SCLK的上升沿采样，在下降沿切换。

  • CPOL(时钟的极性)：规定SPI 总线空闲时，时钟是高电平还是低电平。
  • CPHA(时钟的相位)：规定SPI 设备是在上升沿还是下降沿触发采样数据。

    • 通过根据需求选择适当的CPOL和CPHA配置，我们可以确保主设备和从设备在SPI通信中使用相同的模式。这些模式的选择取决于具体的硬件设备和通信要求。

    数据交换：

    要进行主设备与从设备之间的数据交换，首先主设备需要能够访问从设备，并通过拉低从设备的NSS（片选）引脚来进行片选操作。与其他协议不同，SPI协议是一种数据传输协议，也被称为数据交换协议。在通信过程中，主设备和从设备各自拥有一个移位寄存器，实际的数据交换如下所示：

  • 主设备将要发送的数据写入自己的移位寄存器。
  • 主设备向从设备发送时钟信号（SCLK）以同步数据传输。
  • 在每个时钟周期中，主设备的移位寄存器将一个位（bit）推送到MOSI（主设备数据输出）线上，同时从设备的移位寄存器将一个位推送到MISO（主设备数据输入）线上。
  • 数据在每个时钟周期中进行交换，直到所有的位都被传输完成。
    主设备可以通过拉高NSS引脚来结束片选操作。

    • 通过这种方式，主设备和从设备之间的数据可以进行有效的交换和传输。

    二、使能SPI驱动

    在原理图与我们的40pin扩展口图可见开发板上有可以使用的一路完整的SPI1总线管脚，如下：

    我们所需的还是通过修改DTOverlay配置文件来让添加引脚对SPI1的使能，方法为修改eMMC启动介质的boot分区下的config.txt文件，路径为/run /media/mmcblk1p1/config.txt 修改为如下：

    # Enable SPI overlay, SPI1 conflict with UART8(NB-IoT/4G module)
dtoverlay_spi1=yes

    重启系统后可以查看/dev下是否有spi设备节点，如果有则证明spi驱动加载成功：

    三、回环测试

    首先我们短接MISO和MOSI管脚如下：

    我们的开发板已经安装好了spidev-test工具，我们可以–h命令查看该命令的帮助信息：

    这个工具使用时候，很多选项都是由缺省值的，比如默认指定的设备是spidev1.1 ，对于回环测试我们需要知道如下几个命令：

  • -D 指定spi设备节点
  • -s 设置spi传输速率，可以测试回环测试中最大传输速度
  • -v 打开发送接收回显，用于查看详细数据发送接收情况
  • -l 直接进行回环测试
  • -p 指定发送数据

    • 测试如下：


    可见tx与rx的信息相同，回环测试成功。

    四、SPI编程实现数据传输

    1.SPI相关数据结构

    应用程序空间需要从SPI设备传输数据的时候，每组数据元素就是struct spi_ioc_transfer结构体类型，该结构体定义如下：

    //Linux内核源码： include/uapi/linux/spi/spidev.h 
//应用编程头文件： /usr/include/linux/spi/spi/spidev.h
struct spi_ioc_transfer {
	__u64		tx_buf;  //发送数据缓存
	__u64		rx_buf;  //接收数据缓存

	__u32		len;	//数据长度
	__u32		speed_hz; //通讯速率

	__u16		delay_usecs; //两个spi_ioc_transfer之间的延时，微秒
	__u8		bits_per_word; //数据长度
	__u8		cs_change;  //取消选中片选
	__u8		tx_nbits;  //单次数据宽度(多数据线模式)
	__u8		rx_nbits;  //单次数据宽度(多数据线模式)
	__u8		word_delay_usecs;
	__u8		pad;

	/* If the contents of 'struct spi_ioc_transfer' ever change
	 * incompatibly, then the ioctl number (currently 0) must change;
	 * ioctls with constant size fields get a bit more in the way of
	 * error checking than ones (like this) where that field varies.
	 *
	 * NOTE: struct layout is the same in 64bit and 32bit userspace.
	 */
};

    程序还需要使用到ioctl函数来对SPI进行相关的配置，函数原型如下：

     #include <sys/ioctl.h>
 int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

    其中requset参数常用值如下：

    requset参数 功能
    SPI_IOC_RD_MODE 设置读取SPI模式
    SPI_IOC_WR_MODE 设置写入SPI模式
    SPI_IOC_RD_LSB_MODE 设置SPI读取数据模式(LSB先行返回1)
    SPI_IOC_WR_LSB_MODE 设置SPI写入数据模式。(0:MSB，非0：LSB)
    SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD 设置SPI读取设备的字长
    SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD 设置SPI写入设备的字长
    SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ 设置读取SPI设备的最大通信频率
    SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ 设置写入SPI设备的最大通信速率
    SPI_IOC_MESSAGE(N) 一次进行双向/多次读写操作

    2.测试程序

    /*********************************************************************************
 *      Copyright:  (C) 2023 Deng Yonghao<dengyonghao2001@163.com>
 *                  All rights reserved.
 *
 *       Filename:  spi_loop_test.c
 *    Description:  This file to test SPI
 *                 
 *        Version:  1.0.0(2023年03月28日)
 *         Author:  Deng Yonghao <dengyonghao2001@163.com>
 *      ChangeLog:  1, Release initial version on "2023年03月28日 15时17分20秒"
 *                 
 ********************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <getopt.h>
#include <libgen.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>

#define PROG_VERSION		"1.0.0"

typedef struct spi_ctx_s
{
	int			fd;
	char		dev[64];
	uint8_t		bits;
	uint16_t	delay;
	uint32_t	mode;
	uint32_t	speed;
} spi_ctx_t;

//spi初始化函数
static int spi_init(spi_ctx_t *spi_ctx);
//spi发送数据
static int transfer(spi_ctx_t *spi_ctx, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len);
//帮助信息函数
static void program_usage(char *progname);

int main(int argc, char *argv[])
{
	int						ret;
	spi_ctx_t				spi_ctx;
	char					*spi_dev = "/dev/spidev0.0";//spi默认设备
	uint32_t				spi_speed = 500000;//默认速率500k
	char					*input_tx = "Hello dengyonghao2001";//默认发送
	uint8_t					rx_buffer[100];//接受缓存
	int						opt;
	char					*progname=NULL;

	struct option long_options[] = {
		{"device", required_argument, NULL, 'd'},
		{"speed", required_argument, NULL, 's'},
		{"print", required_argument, NULL, 'p'},
		{"help", no_argument, NULL, 'h'},
		{NULL, 0, NULL, 0} 
	};

	progname = (char *)basename(argv[0]);

	while((opt = getopt_long(argc, argv, "d:s:p:h", long_options, NULL)) != -1)
	{
		switch(opt)
		{
			case 'd':
				spi_dev = optarg;
				break;

			case 's':
				spi_speed = atoi(optarg);
				break;

			case 'p':
				input_tx = optarg;
				break;

			case 'h':
				program_usage(progname);
				return 0;

			default:
				break;
		}
	}
	if(0 == spi_speed || !input_tx)
	{
		program_usage(progname);
		return -1;
	}

	memset(&spi_ctx, 0, sizeof(spi_ctx));
	strncpy(spi_ctx.dev, spi_dev, sizeof(spi_ctx.dev));
			
	spi_ctx.bits = 8;//设置字长8bit
	spi_ctx.delay = 100;//设置时延100us
	spi_ctx.mode = SPI_MODE_2;//设置spi模式
	spi_ctx.speed = spi_speed;//设置速率


	//spi设备初始化
	if(spi_init(&spi_ctx) < 0)
	{
		printf("spi_init error\n");
		return -1;
	}
	printf("spi [dev %s] [fd = %d] init successfully\n", spi_ctx.dev, spi_ctx.fd);

	//spi发送接受函数
	if(transfer(&spi_ctx, input_tx, rx_buffer, strlen(input_tx)) < 0)
	{
		printf("spi transfer error\n");
		return -2;
	}

	//打印tx_buffer和rx_buffer
	printf("tx_buffer: | %s |\n", input_tx);
	printf("rx_buffer: | %s |\n", rx_buffer);

	return 0;
}

static void program_usage(char *progname)
{
    printf("Usage: %s [OPTION]...\n", progname);
    printf(" %s is a program to test IGKBoard loop spi\n", progname);

    printf("\nMandatory arguments to long options are mandatory for short options too:\n");
    printf(" -d[device  ]  Specify SPI device, such as: /dev/spidev0.0\n");
    printf(" -s[speed   ]  max speed (Hz), such as: -s 500000\n");
    printf(" -p[print   ]  Send data (such as: -p 1234/xde/xad)\n");

    printf("\n%s version %s\n", progname, PROG_VERSION);
    return;
}

static int transfer(spi_ctx_t *spi_ctx, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len)
{
	struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long )tx,
        .rx_buf = (unsigned long )rx,
        .len = len,
        .delay_usecs = spi_ctx->delay,
        .speed_hz = spi_ctx->speed,
        .bits_per_word = spi_ctx->bits,
    };

	//发送并接收一组数据
	if(ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr) < 0)
	{
		printf("ERROR: SPI transfer failure: %s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}

	return 0;
}

int spi_init(spi_ctx_t *spi_ctx)
{
	int		ret;
	spi_ctx->fd = open(spi_ctx->dev, O_RDWR);
    if(spi_ctx->fd < 0)
    {
        printf("open %s error\n", spi_ctx->dev);
        return -1;
    }

    //设置SPI 接收和发送的工作模式
    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_RD_MODE, &spi_ctx->mode);
    if( ret < 0 )
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_RD_MODE [0x%x] failure: %s\n ", spi_ctx->mode, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }

    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_WR_MODE, &spi_ctx->mode);
    if( ret < 0 )
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_WR_MODE [0x%x] failure: %s\n ", spi_ctx->mode, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }

    //设置SPI通信接收和发送的字长
    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &spi_ctx->bits);
    if( ret < 0 )
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD [%d] failure: %s\n ", spi_ctx->bits, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }
    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &spi_ctx->bits);
    if( ret < 0 )
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD [%d] failure: %s\n ", spi_ctx->bits, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }

    //设置SPI最高工作频率
    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &spi_ctx->speed);
    if( ret == -1)
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ [%d] failure: %s\n ", spi_ctx->speed, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }
    ret = ioctl(spi_ctx->fd, SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &spi_ctx->speed);
    if( ret == -1)
    {
        printf("ERROR: SPI set SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ [%d] failure: %s\n ", spi_ctx->speed, strerror(errno));
        goto fd_close;
    }

    printf("spi mode: 0x%x\n", spi_ctx->mode);
    printf("bits per word: %d\n", spi_ctx->bits);
    printf("max speed: %d Hz (%d KHz)\n", spi_ctx->speed, spi_ctx->speed / 1000);

   return spi_ctx->fd;

fd_close:

   close(spi_ctx->fd);
   return -1;
}

    3.Makefile

    CC=arm-linux-gnueabihf-gcc
APP_NAME=spi_loop_test

all:clean
    @${CC} ${APP_NAME}.c -o ${APP_NAME}

clean:
    @rm -f ${APP_NAME}

install:
    @rm -f ../tftpboot/${APP_NAME}
    @cp ${APP_NAME} ../tftpboot/

    4.运行测试

    首先我们把程序从我们的虚拟机下载到我们的开发板上，赋予可执行权限后后可以通过-h参数来查看帮助信息，然后执行程序可以看我们所发送的默认信息：

    也可添加参数发送我们输入的信息：

    可见tx和rx的buffer相同，证明数据回环发送成功。

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