Linux 4.1.18
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / spi / spi-summary
blobd1824b399b2d1d79059231a52e2552949d9ba24f
1 Overview of Linux kernel SPI support
2 ====================================
4 02-Feb-2012
6 What is SPI?
7 ------------
8 The "Serial Peripheral Interface" (SPI) is a synchronous four wire serial
9 link used to connect microcontrollers to sensors, memory, and peripherals.
10 It's a simple "de facto" standard, not complicated enough to acquire a
11 standardization body.  SPI uses a master/slave configuration.
13 The three signal wires hold a clock (SCK, often on the order of 10 MHz),
14 and parallel data lines with "Master Out, Slave In" (MOSI) or "Master In,
15 Slave Out" (MISO) signals.  (Other names are also used.)  There are four
16 clocking modes through which data is exchanged; mode-0 and mode-3 are most
17 commonly used.  Each clock cycle shifts data out and data in; the clock
18 doesn't cycle except when there is a data bit to shift.  Not all data bits
19 are used though; not every protocol uses those full duplex capabilities.
21 SPI masters use a fourth "chip select" line to activate a given SPI slave
22 device, so those three signal wires may be connected to several chips
23 in parallel.  All SPI slaves support chipselects; they are usually active
24 low signals, labeled nCSx for slave 'x' (e.g. nCS0).  Some devices have
25 other signals, often including an interrupt to the master.
27 Unlike serial busses like USB or SMBus, even low level protocols for
28 SPI slave functions are usually not interoperable between vendors
29 (except for commodities like SPI memory chips).
31   - SPI may be used for request/response style device protocols, as with
32     touchscreen sensors and memory chips.
34   - It may also be used to stream data in either direction (half duplex),
35     or both of them at the same time (full duplex).
37   - Some devices may use eight bit words.  Others may use different word
38     lengths, such as streams of 12-bit or 20-bit digital samples.
40   - Words are usually sent with their most significant bit (MSB) first,
41     but sometimes the least significant bit (LSB) goes first instead.
43   - Sometimes SPI is used to daisy-chain devices, like shift registers.
45 In the same way, SPI slaves will only rarely support any kind of automatic
46 discovery/enumeration protocol.  The tree of slave devices accessible from
47 a given SPI master will normally be set up manually, with configuration
48 tables.
50 SPI is only one of the names used by such four-wire protocols, and
51 most controllers have no problem handling "MicroWire" (think of it as
52 half-duplex SPI, for request/response protocols), SSP ("Synchronous
53 Serial Protocol"), PSP ("Programmable Serial Protocol"), and other
54 related protocols.
56 Some chips eliminate a signal line by combining MOSI and MISO, and
57 limiting themselves to half-duplex at the hardware level.  In fact
58 some SPI chips have this signal mode as a strapping option.  These
59 can be accessed using the same programming interface as SPI, but of
60 course they won't handle full duplex transfers.  You may find such
61 chips described as using "three wire" signaling: SCK, data, nCSx.
62 (That data line is sometimes called MOMI or SISO.)
64 Microcontrollers often support both master and slave sides of the SPI
65 protocol.  This document (and Linux) currently only supports the master
66 side of SPI interactions.
69 Who uses it?  On what kinds of systems?
70 ---------------------------------------
71 Linux developers using SPI are probably writing device drivers for embedded
72 systems boards.  SPI is used to control external chips, and it is also a
73 protocol supported by every MMC or SD memory card.  (The older "DataFlash"
74 cards, predating MMC cards but using the same connectors and card shape,
75 support only SPI.)  Some PC hardware uses SPI flash for BIOS code.
77 SPI slave chips range from digital/analog converters used for analog
78 sensors and codecs, to memory, to peripherals like USB controllers
79 or Ethernet adapters; and more.
81 Most systems using SPI will integrate a few devices on a mainboard.
82 Some provide SPI links on expansion connectors; in cases where no
83 dedicated SPI controller exists, GPIO pins can be used to create a
84 low speed "bitbanging" adapter.  Very few systems will "hotplug" an SPI
85 controller; the reasons to use SPI focus on low cost and simple operation,
86 and if dynamic reconfiguration is important, USB will often be a more
87 appropriate low-pincount peripheral bus.
89 Many microcontrollers that can run Linux integrate one or more I/O
90 interfaces with SPI modes.  Given SPI support, they could use MMC or SD
91 cards without needing a special purpose MMC/SD/SDIO controller.
94 I'm confused.  What are these four SPI "clock modes"?
95 -----------------------------------------------------
96 It's easy to be confused here, and the vendor documentation you'll
97 find isn't necessarily helpful.  The four modes combine two mode bits:
99  - CPOL indicates the initial clock polarity.  CPOL=0 means the
100    clock starts low, so the first (leading) edge is rising, and
101    the second (trailing) edge is falling.  CPOL=1 means the clock
102    starts high, so the first (leading) edge is falling.
104  - CPHA indicates the clock phase used to sample data; CPHA=0 says
105    sample on the leading edge, CPHA=1 means the trailing edge.
107    Since the signal needs to stablize before it's sampled, CPHA=0
108    implies that its data is written half a clock before the first
109    clock edge.  The chipselect may have made it become available.
111 Chip specs won't always say "uses SPI mode X" in as many words,
112 but their timing diagrams will make the CPOL and CPHA modes clear.
114 In the SPI mode number, CPOL is the high order bit and CPHA is the
115 low order bit.  So when a chip's timing diagram shows the clock
116 starting low (CPOL=0) and data stabilized for sampling during the
117 trailing clock edge (CPHA=1), that's SPI mode 1.
119 Note that the clock mode is relevant as soon as the chipselect goes
120 active.  So the master must set the clock to inactive before selecting
121 a slave, and the slave can tell the chosen polarity by sampling the
122 clock level when its select line goes active.  That's why many devices
123 support for example both modes 0 and 3:  they don't care about polarity,
124 and always clock data in/out on rising clock edges.
127 How do these driver programming interfaces work?
128 ------------------------------------------------
129 The <linux/spi/spi.h> header file includes kerneldoc, as does the
130 main source code, and you should certainly read that chapter of the
131 kernel API document.  This is just an overview, so you get the big
132 picture before those details.
134 SPI requests always go into I/O queues.  Requests for a given SPI device
135 are always executed in FIFO order, and complete asynchronously through
136 completion callbacks.  There are also some simple synchronous wrappers
137 for those calls, including ones for common transaction types like writing
138 a command and then reading its response.
140 There are two types of SPI driver, here called:
142   Controller drivers ... controllers may be built into System-On-Chip
143         processors, and often support both Master and Slave roles.
144         These drivers touch hardware registers and may use DMA.
145         Or they can be PIO bitbangers, needing just GPIO pins.
147   Protocol drivers ... these pass messages through the controller
148         driver to communicate with a Slave or Master device on the
149         other side of an SPI link.
151 So for example one protocol driver might talk to the MTD layer to export
152 data to filesystems stored on SPI flash like DataFlash; and others might
153 control audio interfaces, present touchscreen sensors as input interfaces,
154 or monitor temperature and voltage levels during industrial processing.
155 And those might all be sharing the same controller driver.
157 A "struct spi_device" encapsulates the master-side interface between
158 those two types of driver.  At this writing, Linux has no slave side
159 programming interface.
161 There is a minimal core of SPI programming interfaces, focussing on
162 using the driver model to connect controller and protocol drivers using
163 device tables provided by board specific initialization code.  SPI
164 shows up in sysfs in several locations:
166    /sys/devices/.../CTLR ... physical node for a given SPI controller
168    /sys/devices/.../CTLR/spiB.C ... spi_device on bus "B",
169         chipselect C, accessed through CTLR.
171    /sys/bus/spi/devices/spiB.C ... symlink to that physical
172         .../CTLR/spiB.C device
174    /sys/devices/.../CTLR/spiB.C/modalias ... identifies the driver
175         that should be used with this device (for hotplug/coldplug)
177    /sys/bus/spi/drivers/D ... driver for one or more spi*.* devices
179    /sys/class/spi_master/spiB ... symlink (or actual device node) to
180         a logical node which could hold class related state for the
181         controller managing bus "B".  All spiB.* devices share one
182         physical SPI bus segment, with SCLK, MOSI, and MISO.
184 Note that the actual location of the controller's class state depends
185 on whether you enabled CONFIG_SYSFS_DEPRECATED or not.  At this time,
186 the only class-specific state is the bus number ("B" in "spiB"), so
187 those /sys/class entries are only useful to quickly identify busses.
190 How does board-specific init code declare SPI devices?
191 ------------------------------------------------------
192 Linux needs several kinds of information to properly configure SPI devices.
193 That information is normally provided by board-specific code, even for
194 chips that do support some of automated discovery/enumeration.
196 DECLARE CONTROLLERS
198 The first kind of information is a list of what SPI controllers exist.
199 For System-on-Chip (SOC) based boards, these will usually be platform
200 devices, and the controller may need some platform_data in order to
201 operate properly.  The "struct platform_device" will include resources
202 like the physical address of the controller's first register and its IRQ.
204 Platforms will often abstract the "register SPI controller" operation,
205 maybe coupling it with code to initialize pin configurations, so that
206 the arch/.../mach-*/board-*.c files for several boards can all share the
207 same basic controller setup code.  This is because most SOCs have several
208 SPI-capable controllers, and only the ones actually usable on a given
209 board should normally be set up and registered.
211 So for example arch/.../mach-*/board-*.c files might have code like:
213         #include <mach/spi.h>   /* for mysoc_spi_data */
215         /* if your mach-* infrastructure doesn't support kernels that can
216          * run on multiple boards, pdata wouldn't benefit from "__init".
217          */
218         static struct mysoc_spi_data pdata __initdata = { ... };
220         static __init board_init(void)
221         {
222                 ...
223                 /* this board only uses SPI controller #2 */
224                 mysoc_register_spi(2, &pdata);
225                 ...
226         }
228 And SOC-specific utility code might look something like:
230         #include <mach/spi.h>
232         static struct platform_device spi2 = { ... };
234         void mysoc_register_spi(unsigned n, struct mysoc_spi_data *pdata)
235         {
236                 struct mysoc_spi_data *pdata2;
238                 pdata2 = kmalloc(sizeof *pdata2, GFP_KERNEL);
239                 *pdata2 = pdata;
240                 ...
241                 if (n == 2) {
242                         spi2->dev.platform_data = pdata2;
243                         register_platform_device(&spi2);
245                         /* also: set up pin modes so the spi2 signals are
246                          * visible on the relevant pins ... bootloaders on
247                          * production boards may already have done this, but
248                          * developer boards will often need Linux to do it.
249                          */
250                 }
251                 ...
252         }
254 Notice how the platform_data for boards may be different, even if the
255 same SOC controller is used.  For example, on one board SPI might use
256 an external clock, where another derives the SPI clock from current
257 settings of some master clock.
260 DECLARE SLAVE DEVICES
262 The second kind of information is a list of what SPI slave devices exist
263 on the target board, often with some board-specific data needed for the
264 driver to work correctly.
266 Normally your arch/.../mach-*/board-*.c files would provide a small table
267 listing the SPI devices on each board.  (This would typically be only a
268 small handful.)  That might look like:
270         static struct ads7846_platform_data ads_info = {
271                 .vref_delay_usecs       = 100,
272                 .x_plate_ohms           = 580,
273                 .y_plate_ohms           = 410,
274         };
276         static struct spi_board_info spi_board_info[] __initdata = {
277         {
278                 .modalias       = "ads7846",
279                 .platform_data  = &ads_info,
280                 .mode           = SPI_MODE_0,
281                 .irq            = GPIO_IRQ(31),
282                 .max_speed_hz   = 120000 /* max sample rate at 3V */ * 16,
283                 .bus_num        = 1,
284                 .chip_select    = 0,
285         },
286         };
288 Again, notice how board-specific information is provided; each chip may need
289 several types.  This example shows generic constraints like the fastest SPI
290 clock to allow (a function of board voltage in this case) or how an IRQ pin
291 is wired, plus chip-specific constraints like an important delay that's
292 changed by the capacitance at one pin.
294 (There's also "controller_data", information that may be useful to the
295 controller driver.  An example would be peripheral-specific DMA tuning
296 data or chipselect callbacks.  This is stored in spi_device later.)
298 The board_info should provide enough information to let the system work
299 without the chip's driver being loaded.  The most troublesome aspect of
300 that is likely the SPI_CS_HIGH bit in the spi_device.mode field, since
301 sharing a bus with a device that interprets chipselect "backwards" is
302 not possible until the infrastructure knows how to deselect it.
304 Then your board initialization code would register that table with the SPI
305 infrastructure, so that it's available later when the SPI master controller
306 driver is registered:
308         spi_register_board_info(spi_board_info, ARRAY_SIZE(spi_board_info));
310 Like with other static board-specific setup, you won't unregister those.
312 The widely used "card" style computers bundle memory, cpu, and little else
313 onto a card that's maybe just thirty square centimeters.  On such systems,
314 your arch/.../mach-.../board-*.c file would primarily provide information
315 about the devices on the mainboard into which such a card is plugged.  That
316 certainly includes SPI devices hooked up through the card connectors!
319 NON-STATIC CONFIGURATIONS
321 Developer boards often play by different rules than product boards, and one
322 example is the potential need to hotplug SPI devices and/or controllers.
324 For those cases you might need to use spi_busnum_to_master() to look
325 up the spi bus master, and will likely need spi_new_device() to provide the
326 board info based on the board that was hotplugged.  Of course, you'd later
327 call at least spi_unregister_device() when that board is removed.
329 When Linux includes support for MMC/SD/SDIO/DataFlash cards through SPI, those
330 configurations will also be dynamic.  Fortunately, such devices all support
331 basic device identification probes, so they should hotplug normally.
334 How do I write an "SPI Protocol Driver"?
335 ----------------------------------------
336 Most SPI drivers are currently kernel drivers, but there's also support
337 for userspace drivers.  Here we talk only about kernel drivers.
339 SPI protocol drivers somewhat resemble platform device drivers:
341         static struct spi_driver CHIP_driver = {
342                 .driver = {
343                         .name           = "CHIP",
344                         .owner          = THIS_MODULE,
345                         .pm             = &CHIP_pm_ops,
346                 },
348                 .probe          = CHIP_probe,
349                 .remove         = CHIP_remove,
350         };
352 The driver core will automatically attempt to bind this driver to any SPI
353 device whose board_info gave a modalias of "CHIP".  Your probe() code
354 might look like this unless you're creating a device which is managing
355 a bus (appearing under /sys/class/spi_master).
357         static int CHIP_probe(struct spi_device *spi)
358         {
359                 struct CHIP                     *chip;
360                 struct CHIP_platform_data       *pdata;
362                 /* assuming the driver requires board-specific data: */
363                 pdata = &spi->dev.platform_data;
364                 if (!pdata)
365                         return -ENODEV;
367                 /* get memory for driver's per-chip state */
368                 chip = kzalloc(sizeof *chip, GFP_KERNEL);
369                 if (!chip)
370                         return -ENOMEM;
371                 spi_set_drvdata(spi, chip);
373                 ... etc
374                 return 0;
375         }
377 As soon as it enters probe(), the driver may issue I/O requests to
378 the SPI device using "struct spi_message".  When remove() returns,
379 or after probe() fails, the driver guarantees that it won't submit
380 any more such messages.
382   - An spi_message is a sequence of protocol operations, executed
383     as one atomic sequence.  SPI driver controls include:
385       + when bidirectional reads and writes start ... by how its
386         sequence of spi_transfer requests is arranged;
388       + which I/O buffers are used ... each spi_transfer wraps a
389         buffer for each transfer direction, supporting full duplex
390         (two pointers, maybe the same one in both cases) and half
391         duplex (one pointer is NULL) transfers;
393       + optionally defining short delays after transfers ... using
394         the spi_transfer.delay_usecs setting (this delay can be the
395         only protocol effect, if the buffer length is zero);
397       + whether the chipselect becomes inactive after a transfer and
398         any delay ... by using the spi_transfer.cs_change flag;
400       + hinting whether the next message is likely to go to this same
401         device ... using the spi_transfer.cs_change flag on the last
402         transfer in that atomic group, and potentially saving costs
403         for chip deselect and select operations.
405   - Follow standard kernel rules, and provide DMA-safe buffers in
406     your messages.  That way controller drivers using DMA aren't forced
407     to make extra copies unless the hardware requires it (e.g. working
408     around hardware errata that force the use of bounce buffering).
410     If standard dma_map_single() handling of these buffers is inappropriate,
411     you can use spi_message.is_dma_mapped to tell the controller driver
412     that you've already provided the relevant DMA addresses.
414   - The basic I/O primitive is spi_async().  Async requests may be
415     issued in any context (irq handler, task, etc) and completion
416     is reported using a callback provided with the message.
417     After any detected error, the chip is deselected and processing
418     of that spi_message is aborted.
420   - There are also synchronous wrappers like spi_sync(), and wrappers
421     like spi_read(), spi_write(), and spi_write_then_read().  These
422     may be issued only in contexts that may sleep, and they're all
423     clean (and small, and "optional") layers over spi_async().
425   - The spi_write_then_read() call, and convenience wrappers around
426     it, should only be used with small amounts of data where the
427     cost of an extra copy may be ignored.  It's designed to support
428     common RPC-style requests, such as writing an eight bit command
429     and reading a sixteen bit response -- spi_w8r16() being one its
430     wrappers, doing exactly that.
432 Some drivers may need to modify spi_device characteristics like the
433 transfer mode, wordsize, or clock rate.  This is done with spi_setup(),
434 which would normally be called from probe() before the first I/O is
435 done to the device.  However, that can also be called at any time
436 that no message is pending for that device.
438 While "spi_device" would be the bottom boundary of the driver, the
439 upper boundaries might include sysfs (especially for sensor readings),
440 the input layer, ALSA, networking, MTD, the character device framework,
441 or other Linux subsystems.
443 Note that there are two types of memory your driver must manage as part
444 of interacting with SPI devices.
446   - I/O buffers use the usual Linux rules, and must be DMA-safe.
447     You'd normally allocate them from the heap or free page pool.
448     Don't use the stack, or anything that's declared "static".
450   - The spi_message and spi_transfer metadata used to glue those
451     I/O buffers into a group of protocol transactions.  These can
452     be allocated anywhere it's convenient, including as part of
453     other allocate-once driver data structures.  Zero-init these.
455 If you like, spi_message_alloc() and spi_message_free() convenience
456 routines are available to allocate and zero-initialize an spi_message
457 with several transfers.
460 How do I write an "SPI Master Controller Driver"?
461 -------------------------------------------------
462 An SPI controller will probably be registered on the platform_bus; write
463 a driver to bind to the device, whichever bus is involved.
465 The main task of this type of driver is to provide an "spi_master".
466 Use spi_alloc_master() to allocate the master, and spi_master_get_devdata()
467 to get the driver-private data allocated for that device.
469         struct spi_master       *master;
470         struct CONTROLLER       *c;
472         master = spi_alloc_master(dev, sizeof *c);
473         if (!master)
474                 return -ENODEV;
476         c = spi_master_get_devdata(master);
478 The driver will initialize the fields of that spi_master, including the
479 bus number (maybe the same as the platform device ID) and three methods
480 used to interact with the SPI core and SPI protocol drivers.  It will
481 also initialize its own internal state.  (See below about bus numbering
482 and those methods.)
484 After you initialize the spi_master, then use spi_register_master() to
485 publish it to the rest of the system. At that time, device nodes for the
486 controller and any predeclared spi devices will be made available, and
487 the driver model core will take care of binding them to drivers.
489 If you need to remove your SPI controller driver, spi_unregister_master()
490 will reverse the effect of spi_register_master().
493 BUS NUMBERING
495 Bus numbering is important, since that's how Linux identifies a given
496 SPI bus (shared SCK, MOSI, MISO).  Valid bus numbers start at zero.  On
497 SOC systems, the bus numbers should match the numbers defined by the chip
498 manufacturer.  For example, hardware controller SPI2 would be bus number 2,
499 and spi_board_info for devices connected to it would use that number.
501 If you don't have such hardware-assigned bus number, and for some reason
502 you can't just assign them, then provide a negative bus number.  That will
503 then be replaced by a dynamically assigned number. You'd then need to treat
504 this as a non-static configuration (see above).
507 SPI MASTER METHODS
509     master->setup(struct spi_device *spi)
510         This sets up the device clock rate, SPI mode, and word sizes.
511         Drivers may change the defaults provided by board_info, and then
512         call spi_setup(spi) to invoke this routine.  It may sleep.
514         Unless each SPI slave has its own configuration registers, don't
515         change them right away ... otherwise drivers could corrupt I/O
516         that's in progress for other SPI devices.
518                 ** BUG ALERT:  for some reason the first version of
519                 ** many spi_master drivers seems to get this wrong.
520                 ** When you code setup(), ASSUME that the controller
521                 ** is actively processing transfers for another device.
523     master->cleanup(struct spi_device *spi)
524         Your controller driver may use spi_device.controller_state to hold
525         state it dynamically associates with that device.  If you do that,
526         be sure to provide the cleanup() method to free that state.
528     master->prepare_transfer_hardware(struct spi_master *master)
529         This will be called by the queue mechanism to signal to the driver
530         that a message is coming in soon, so the subsystem requests the
531         driver to prepare the transfer hardware by issuing this call.
532         This may sleep.
534     master->unprepare_transfer_hardware(struct spi_master *master)
535         This will be called by the queue mechanism to signal to the driver
536         that there are no more messages pending in the queue and it may
537         relax the hardware (e.g. by power management calls). This may sleep.
539     master->transfer_one_message(struct spi_master *master,
540                                  struct spi_message *mesg)
541         The subsystem calls the driver to transfer a single message while
542         queuing transfers that arrive in the meantime. When the driver is
543         finished with this message, it must call
544         spi_finalize_current_message() so the subsystem can issue the next
545         message. This may sleep.
547     master->transfer_one(struct spi_master *master, struct spi_device *spi,
548                          struct spi_transfer *transfer)
549         The subsystem calls the driver to transfer a single transfer while
550         queuing transfers that arrive in the meantime. When the driver is
551         finished with this transfer, it must call
552         spi_finalize_current_transfer() so the subsystem can issue the next
553         transfer. This may sleep. Note: transfer_one and transfer_one_message
554         are mutually exclusive; when both are set, the generic subsystem does
555         not call your transfer_one callback.
557         Return values:
558         negative errno: error
559         0: transfer is finished
560         1: transfer is still in progress
562     DEPRECATED METHODS
564     master->transfer(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
565         This must not sleep. Its responsibility is to arrange that the
566         transfer happens and its complete() callback is issued. The two
567         will normally happen later, after other transfers complete, and
568         if the controller is idle it will need to be kickstarted. This
569         method is not used on queued controllers and must be NULL if
570         transfer_one_message() and (un)prepare_transfer_hardware() are
571         implemented.
574 SPI MESSAGE QUEUE
576 If you are happy with the standard queueing mechanism provided by the
577 SPI subsystem, just implement the queued methods specified above. Using
578 the message queue has the upside of centralizing a lot of code and
579 providing pure process-context execution of methods. The message queue
580 can also be elevated to realtime priority on high-priority SPI traffic.
582 Unless the queueing mechanism in the SPI subsystem is selected, the bulk
583 of the driver will be managing the I/O queue fed by the now deprecated
584 function transfer().
586 That queue could be purely conceptual.  For example, a driver used only
587 for low-frequency sensor access might be fine using synchronous PIO.
589 But the queue will probably be very real, using message->queue, PIO,
590 often DMA (especially if the root filesystem is in SPI flash), and
591 execution contexts like IRQ handlers, tasklets, or workqueues (such
592 as keventd).  Your driver can be as fancy, or as simple, as you need.
593 Such a transfer() method would normally just add the message to a
594 queue, and then start some asynchronous transfer engine (unless it's
595 already running).
598 THANKS TO
599 ---------
600 Contributors to Linux-SPI discussions include (in alphabetical order,
601 by last name):
603 Mark Brown
604 David Brownell
605 Russell King
606 Grant Likely
607 Dmitry Pervushin
608 Stephen Street
609 Mark Underwood
610 Andrew Victor
611 Linus Walleij
612 Vitaly Wool