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Linux SPI总线和设备驱动架构之四:SPI数据传输的队列化

我们知道,SPI数据传输可以有两种方式:同步方式和异步方式。所谓同步方式是指数据传输的发起者必须等待本次传输的结束,期间不能做其它事情,用代码来解释就是,调用传输的函数后,直到数据传输完成,函数才会返回。而异步方式则正好相反,数据传输的发起者无需等待传输的结束,数据传输期间还可以做其它事情,用代码来解释就是,调用传输的函数后,函数会立刻返回而不用等待数据传输完成,我们只需设置一个回调函数,传输完成后,该回调函数会被调用以通知发起者数据传送已经完成。同步方式简单易用,很适合处理那些少量数据的单次传输。但是对于数据量大、次数多的传输来说,异步方式就显得更加合适。

对于SPI控制器来说,要支持异步方式必须要考虑以下两种状况:

  1. 对于同一个数据传输的发起者,既然异步方式无需等待数据传输完成即可返回,返回后,该发起者可以立刻又发起一个message,而这时上一个message还没有处理完。
  2.  对于另外一个不同的发起者来说,也有可能同时发起一次message传输请求。

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队列化正是为了为了解决以上的问题,所谓队列化,是指把等待传输的message放入一个等待队列中,发起一个传输操作,其实就是把对应的message按先后顺序放入一个等待队列中,系统会在不断检测队列中是否有等待传输的message,如果有就不停地调度数据传输内核线程,逐个取出队列中的message进行处理,直到队列变空为止。SPI通用接口层为我们实现了队列化的基本框架。

 

spi_transfer的队列化


回顾一下通用接口层的介绍,对协议驱动来说,一个spi_message是一次数据交换的原子请求,而spi_message由多个spi_transfer结构组成,这些spi_transfer通过一个链表组织在一起,我们看看这两个数据结构关于spi_transfer链表的相关字段:

struct spi_transfer {        ......        const void      *tx_buf;        void            *rx_buf;        ......        struct list_head transfer_list;};struct spi_message {        struct list_head        transfers;                struct spi_device       *spi;        ......                struct list_head        queue;        ......};

可见,一个spi_message结构有一个链表头字段:transfers,而每个spi_transfer结构都包含一个链表头字段:transfer_list,通过这两个链表头字段,所有属于这次message传输的transfer都会挂在spi_message.transfers字段下面。我们可以通过以下API向spi_message结构中添加一个spi_transfer结构:

static inline voidspi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m){        list_add_tail(&t->transfer_list, &m->transfers);}

通用接口层会以一个message为单位,在工作线程中调用控制器驱动的transfer_one_message回调函数来完成spi_transfer链表的处理和传输工作,关于工作线程,我们留在后面讨论。

spi_message的队列化


一个或者多个协议驱动程序可以同时向控制器驱动申请多个spi_message请求,这些spi_message也是以链表的形式被过在表示控制器的spi_master结构体的queue字段下面:

 

struct spi_master {        struct device   dev;        ......        bool                            queued;        struct kthread_worker           kworker;        struct task_struct              *kworker_task;        struct kthread_work             pump_messages;        spinlock_t                      queue_lock;        struct list_head                queue;        struct spi_message              *cur_msg;        ......}

以下的API可以被协议驱动程序用于发起一个message传输操作:

 

 

extern int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message);

spi_async函数是发起一个异步传输的API,它会把spi_message结构挂在spi_master的queue字段下,然后启动专门为spi传输准备的内核工作线程,由该工作线程来实际处理message的传输工作,因为是异步操作,所以该函数会立刻返回,不会等待传输的完成,这时,协议驱动程序(可能是另一个协议驱动程序)可以再次调用该API,发起另一个message传输请求,结果就是,当工作线程被唤醒时,spi_master下面可能已经挂了多个待处理的spi_message结构,工作线程会按先进先出的原则来逐个处理这些message请求,每个message传送完成后,对应spi_message结构的complete回调函数就会被调用,以通知协议驱动程序准备下一帧数据。这就是spi_message的队列化。工作线程唤醒时,spi_master、spi_message和spi_transfer之间的关系可以用下图来描述:
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队列以及工作线程的初始化


通过Linux SPI总线和设备驱动架构之三:SPI控制器驱动这篇文章,SPI控制器驱动在初始化时,会调用通用接口层提供的API:spi_register_master,来完成控制器的注册和初始化工作,和队列化相关的字段和工作线程的初始化工作正是在该API中完成的。我先把该API的调用序列图贴出来:

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                                                         图2   spi_register_master的调用序列图

如果spi_master设置了transfer回调函数字段,表示控制器驱动不准备使用通用接口层提供的队列化框架,有关队列化的初始化就不会进行,否则,spi_master_initialize_queue函数就会被调用:

 

/* If we‘re using a queued driver, start the queue */        if (master->transfer)                dev_info(dev, "master is unqueued, this is deprecated\n");        else {                status = spi_master_initialize_queue(master);                if (status) {                        device_del(&master->dev);                        goto done;                }        }

我们当然不希望自己实现一套队列化框架,所以,如果你在实现一个新的SPI控制器驱动,请记住,不要在你打控制器驱动中实现并赋值spi_master结构的transfer回调字段!进入spi_master_initialize_queue函数看看:

 

 

static int spi_master_initialize_queue(struct spi_master *master){        ......        master->queued = true;        master->transfer = spi_queued_transfer;        if (!master->transfer_one_message)                master->transfer_one_message = spi_transfer_one_message;        /* Initialize and start queue */        ret = spi_init_queue(master);        ......        ret = spi_start_queue(master);        ......}

该函数把master->transfer回调字段设置为默认的实现函数:spi_queued_transfer,如果控制器驱动没有实现transfer_one_message回调,用默认的spi_transfer_one_message函数进行赋值。然后分别调用spi_init_queue和spi_start_queue函数初始化队列并启动工作线程。spi_init_queue函数最主要的作用就是建立一个内核工作线程:

static int spi_init_queue(struct spi_master *master){        ......        INIT_LIST_HEAD(&master->queue);        ......        init_kthread_worker(&master->kworker);        master->kworker_task = kthread_run(kthread_worker_fn,                                           &master->kworker, "%s",                                           dev_name(&master->dev));        ......        init_kthread_work(&master->pump_messages, spi_pump_messages);        ......        return 0;}

内核工作线程的工作函数是:spi_pump_messages,该函数是整个队列化关键实现函数,我们将会在下一节中讨论该函数。spi_start_queue就很简单了,只是唤醒该工作线程而已:

 

 

static int spi_start_queue(struct spi_master *master){        ......        master->running = true;        master->cur_msg = NULL;        ......        queue_kthread_work(&master->kworker, &master->pump_messages);        return 0;}

自此,队列化的相关工作已经完成,系统等待message请求被发起,然后在工作线程中处理message的传送工作。

 

队列化的工作机制及过程


当协议驱动程序通过spi_async发起一个message请求时,队列化和工作线程被激活,触发一些列的操作,最终完成message的传输操作。我们先看看spi_async函数的调用序列图:

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                                                         图3   spi_async调用序列图

spi_async会调用控制器驱动的transfer回调,前面一节已经讨论过,transfer回调已经被设置为默认的实现函数:spi_queued_transfer,该函数只是简单地把spi_message结构加入spi_master的queue链表中,然后唤醒工作线程。工作线程的工作函数是spi_pump_messages,它首先把该spi_message从队列中移除,然后调用控制器驱动的prepare_transfer_hardware回调来让控制器驱动准备必要的硬件资源,然后调用控制器驱动的transfer_one_message回调函数完成该message的传输工作,控制器驱动的transfer_one_message回调函数在完成传输后,必须要调用spi_finalize_current_message函数,通知通用接口层继续处理队列中的下一个message,另外,spi_finalize_current_message函数也会调用该message的complete回调函数,以便通知协议驱动程序准备下一帧数据。

关于控制器驱动的transfer_one_message回调函数,我们的控制器驱动可以不用实现该函数,通用接口层已经为我们准备了一个标准的实现函数:spi_transfer_one_message,这样,我们的控制器驱动就只要实现transfer_one回调来完成实际的传输工作即可,而不用关心何时需压气哦调用spi_finalize_current_message等细节。这里顺便也贴出transfer_one_message的代码:

 

static int spi_transfer_one_message(struct spi_master *master,                                    struct spi_message *msg){        ......        spi_set_cs(msg->spi, true);        list_for_each_entry(xfer, &msg->transfers, transfer_list) {                ......                reinit_completion(&master->xfer_completion);                ret = master->transfer_one(master, msg->spi, xfer);                ......                if (ret > 0)                        wait_for_completion(&master->xfer_completion);                ......                if (xfer->cs_change) {                        if (list_is_last(&xfer->transfer_list,                                         &msg->transfers)) {                                keep_cs = true;                        } else {                                cur_cs = !cur_cs;                                spi_set_cs(msg->spi, cur_cs);                        }                }                msg->actual_length += xfer->len;        }out:        if (ret != 0 || !keep_cs)                spi_set_cs(msg->spi, false);        ......        spi_finalize_current_message(master);        return ret;}

逻辑很清晰,这里就不再解释了。因为很多时候读者使用的内核版本和我写作时使用的版本不一样,经常会有人问有些函数或者结构不一样,所以这里顺便声明一下我使用的内核版本:3.13.0 -rc6。

Linux SPI总线和设备驱动架构之四:SPI数据传输的队列化