[PATCH] SPI core tweaks, bugfix
[pandora-kernel.git] / Documentation / spi / spi-summary
1 Overview of Linux kernel SPI support
2 ====================================
3
4 02-Dec-2005
5
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
11 The three signal wires hold a clock (SCLK, often on the order of 10 MHz),
12 and parallel data lines with "Master Out, Slave In" (MOSI) or "Master In,
13 Slave Out" (MISO) signals.  (Other names are also used.)  There are four
14 clocking modes through which data is exchanged; mode-0 and mode-3 are most
15 commonly used.  Each clock cycle shifts data out and data in; the clock
16 doesn't cycle except when there is data to shift.
17
18 SPI masters may use a "chip select" line to activate a given SPI slave
19 device, so those three signal wires may be connected to several chips
20 in parallel.  All SPI slaves support chipselects.  Some devices have
21 other signals, often including an interrupt to the master.
22
23 Unlike serial busses like USB or SMBUS, even low level protocols for
24 SPI slave functions are usually not interoperable between vendors
25 (except for cases like SPI memory chips).
26
27   - SPI may be used for request/response style device protocols, as with
28     touchscreen sensors and memory chips.
29
30   - It may also be used to stream data in either direction (half duplex),
31     or both of them at the same time (full duplex).
32
33   - Some devices may use eight bit words.  Others may different word
34     lengths, such as streams of 12-bit or 20-bit digital samples.
35
36 In the same way, SPI slaves will only rarely support any kind of automatic
37 discovery/enumeration protocol.  The tree of slave devices accessible from
38 a given SPI master will normally be set up manually, with configuration
39 tables.
40
41 SPI is only one of the names used by such four-wire protocols, and
42 most controllers have no problem handling "MicroWire" (think of it as
43 half-duplex SPI, for request/response protocols), SSP ("Synchronous
44 Serial Protocol"), PSP ("Programmable Serial Protocol"), and other
45 related protocols.
46
47 Microcontrollers often support both master and slave sides of the SPI
48 protocol.  This document (and Linux) currently only supports the master
49 side of SPI interactions.
50
51
52 Who uses it?  On what kinds of systems?
53 ---------------------------------------
54 Linux developers using SPI are probably writing device drivers for embedded
55 systems boards.  SPI is used to control external chips, and it is also a
56 protocol supported by every MMC or SD memory card.  (The older "DataFlash"
57 cards, predating MMC cards but using the same connectors and card shape,
58 support only SPI.)  Some PC hardware uses SPI flash for BIOS code.
59
60 SPI slave chips range from digital/analog converters used for analog
61 sensors and codecs, to memory, to peripherals like USB controllers
62 or Ethernet adapters; and more.
63
64 Most systems using SPI will integrate a few devices on a mainboard.
65 Some provide SPI links on expansion connectors; in cases where no
66 dedicated SPI controller exists, GPIO pins can be used to create a
67 low speed "bitbanging" adapter.  Very few systems will "hotplug" an SPI
68 controller; the reasons to use SPI focus on low cost and simple operation,
69 and if dynamic reconfiguration is important, USB will often be a more
70 appropriate low-pincount peripheral bus.
71
72 Many microcontrollers that can run Linux integrate one or more I/O
73 interfaces with SPI modes.  Given SPI support, they could use MMC or SD
74 cards without needing a special purpose MMC/SD/SDIO controller.
75
76
77 How do these driver programming interfaces work?
78 ------------------------------------------------
79 The <linux/spi/spi.h> header file includes kerneldoc, as does the
80 main source code, and you should certainly read that.  This is just
81 an overview, so you get the big picture before the details.
82
83 SPI requests always go into I/O queues.  Requests for a given SPI device
84 are always executed in FIFO order, and complete asynchronously through
85 completion callbacks.  There are also some simple synchronous wrappers
86 for those calls, including ones for common transaction types like writing
87 a command and then reading its response.
88
89 There are two types of SPI driver, here called:
90
91   Controller drivers ... these are often built in to System-On-Chip
92         processors, and often support both Master and Slave roles.
93         These drivers touch hardware registers and may use DMA.
94         Or they can be PIO bitbangers, needing just GPIO pins.
95
96   Protocol drivers ... these pass messages through the controller
97         driver to communicate with a Slave or Master device on the
98         other side of an SPI link.
99
100 So for example one protocol driver might talk to the MTD layer to export
101 data to filesystems stored on SPI flash like DataFlash; and others might
102 control audio interfaces, present touchscreen sensors as input interfaces,
103 or monitor temperature and voltage levels during industrial processing.
104 And those might all be sharing the same controller driver.
105
106 A "struct spi_device" encapsulates the master-side interface between
107 those two types of driver.  At this writing, Linux has no slave side
108 programming interface.
109
110 There is a minimal core of SPI programming interfaces, focussing on
111 using driver model to connect controller and protocol drivers using
112 device tables provided by board specific initialization code.  SPI
113 shows up in sysfs in several locations:
114
115    /sys/devices/.../CTLR/spiB.C ... spi_device for on bus "B",
116         chipselect C, accessed through CTLR.
117
118    /sys/bus/spi/devices/spiB.C ... symlink to the physical
119         spiB-C device
120
121    /sys/bus/spi/drivers/D ... driver for one or more spi*.* devices
122
123    /sys/class/spi_master/spiB ... class device for the controller
124         managing bus "B".  All the spiB.* devices share the same
125         physical SPI bus segment, with SCLK, MOSI, and MISO.
126
127
128 How does board-specific init code declare SPI devices?
129 ------------------------------------------------------
130 Linux needs several kinds of information to properly configure SPI devices.
131 That information is normally provided by board-specific code, even for
132 chips that do support some of automated discovery/enumeration.
133
134 DECLARE CONTROLLERS
135
136 The first kind of information is a list of what SPI controllers exist.
137 For System-on-Chip (SOC) based boards, these will usually be platform
138 devices, and the controller may need some platform_data in order to
139 operate properly.  The "struct platform_device" will include resources
140 like the physical address of the controller's first register and its IRQ.
141
142 Platforms will often abstract the "register SPI controller" operation,
143 maybe coupling it with code to initialize pin configurations, so that
144 the arch/.../mach-*/board-*.c files for several boards can all share the
145 same basic controller setup code.  This is because most SOCs have several
146 SPI-capable controllers, and only the ones actually usable on a given
147 board should normally be set up and registered.
148
149 So for example arch/.../mach-*/board-*.c files might have code like:
150
151         #include <asm/arch/spi.h>       /* for mysoc_spi_data */
152
153         /* if your mach-* infrastructure doesn't support kernels that can
154          * run on multiple boards, pdata wouldn't benefit from "__init".
155          */
156         static struct mysoc_spi_data __init pdata = { ... };
157
158         static __init board_init(void)
159         {
160                 ...
161                 /* this board only uses SPI controller #2 */
162                 mysoc_register_spi(2, &pdata);
163                 ...
164         }
165
166 And SOC-specific utility code might look something like:
167
168         #include <asm/arch/spi.h>
169
170         static struct platform_device spi2 = { ... };
171
172         void mysoc_register_spi(unsigned n, struct mysoc_spi_data *pdata)
173         {
174                 struct mysoc_spi_data *pdata2;
175
176                 pdata2 = kmalloc(sizeof *pdata2, GFP_KERNEL);
177                 *pdata2 = pdata;
178                 ...
179                 if (n == 2) {
180                         spi2->dev.platform_data = pdata2;
181                         register_platform_device(&spi2);
182
183                         /* also: set up pin modes so the spi2 signals are
184                          * visible on the relevant pins ... bootloaders on
185                          * production boards may already have done this, but
186                          * developer boards will often need Linux to do it.
187                          */
188                 }
189                 ...
190         }
191
192 Notice how the platform_data for boards may be different, even if the
193 same SOC controller is used.  For example, on one board SPI might use
194 an external clock, where another derives the SPI clock from current
195 settings of some master clock.
196
197
198 DECLARE SLAVE DEVICES
199
200 The second kind of information is a list of what SPI slave devices exist
201 on the target board, often with some board-specific data needed for the
202 driver to work correctly.
203
204 Normally your arch/.../mach-*/board-*.c files would provide a small table
205 listing the SPI devices on each board.  (This would typically be only a
206 small handful.)  That might look like:
207
208         static struct ads7846_platform_data ads_info = {
209                 .vref_delay_usecs       = 100,
210                 .x_plate_ohms           = 580,
211                 .y_plate_ohms           = 410,
212         };
213
214         static struct spi_board_info spi_board_info[] __initdata = {
215         {
216                 .modalias       = "ads7846",
217                 .platform_data  = &ads_info,
218                 .mode           = SPI_MODE_0,
219                 .irq            = GPIO_IRQ(31),
220                 .max_speed_hz   = 120000 /* max sample rate at 3V */ * 16,
221                 .bus_num        = 1,
222                 .chip_select    = 0,
223         },
224         };
225
226 Again, notice how board-specific information is provided; each chip may need
227 several types.  This example shows generic constraints like the fastest SPI
228 clock to allow (a function of board voltage in this case) or how an IRQ pin
229 is wired, plus chip-specific constraints like an important delay that's
230 changed by the capacitance at one pin.
231
232 (There's also "controller_data", information that may be useful to the
233 controller driver.  An example would be peripheral-specific DMA tuning
234 data or chipselect callbacks.  This is stored in spi_device later.)
235
236 The board_info should provide enough information to let the system work
237 without the chip's driver being loaded.  The most troublesome aspect of
238 that is likely the SPI_CS_HIGH bit in the spi_device.mode field, since
239 sharing a bus with a device that interprets chipselect "backwards" is
240 not possible.
241
242 Then your board initialization code would register that table with the SPI
243 infrastructure, so that it's available later when the SPI master controller
244 driver is registered:
245
246         spi_register_board_info(spi_board_info, ARRAY_SIZE(spi_board_info));
247
248 Like with other static board-specific setup, you won't unregister those.
249
250
251 NON-STATIC CONFIGURATIONS
252
253 Developer boards often play by different rules than product boards, and one
254 example is the potential need to hotplug SPI devices and/or controllers.
255
256 For those cases you might need to use use spi_busnum_to_master() to look
257 up the spi bus master, and will likely need spi_new_device() to provide the
258 board info based on the board that was hotplugged.  Of course, you'd later
259 call at least spi_unregister_device() when that board is removed.
260
261
262 How do I write an "SPI Protocol Driver"?
263 ----------------------------------------
264 All SPI drivers are currently kernel drivers.  A userspace driver API
265 would just be another kernel driver, probably offering some lowlevel
266 access through aio_read(), aio_write(), and ioctl() calls and using the
267 standard userspace sysfs mechanisms to bind to a given SPI device.
268
269 SPI protocol drivers somewhat resemble platform device drivers:
270
271         static struct spi_driver CHIP_driver = {
272                 .driver = {
273                         .name           = "CHIP",
274                         .bus            = &spi_bus_type,
275                         .owner          = THIS_MODULE,
276                 },
277
278                 .probe          = CHIP_probe,
279                 .remove         = __devexit_p(CHIP_remove),
280                 .suspend        = CHIP_suspend,
281                 .resume         = CHIP_resume,
282         };
283
284 The driver core will autmatically attempt to bind this driver to any SPI
285 device whose board_info gave a modalias of "CHIP".  Your probe() code
286 might look like this unless you're creating a class_device:
287
288         static int __devinit CHIP_probe(struct spi_device *spi)
289         {
290                 struct CHIP                     *chip;
291                 struct CHIP_platform_data       *pdata;
292
293                 /* assuming the driver requires board-specific data: */
294                 pdata = &spi->dev.platform_data;
295                 if (!pdata)
296                         return -ENODEV;
297
298                 /* get memory for driver's per-chip state */
299                 chip = kzalloc(sizeof *chip, GFP_KERNEL);
300                 if (!chip)
301                         return -ENOMEM;
302                 dev_set_drvdata(&spi->dev, chip);
303
304                 ... etc
305                 return 0;
306         }
307
308 As soon as it enters probe(), the driver may issue I/O requests to
309 the SPI device using "struct spi_message".  When remove() returns,
310 the driver guarantees that it won't submit any more such messages.
311
312   - An spi_message is a sequence of of protocol operations, executed
313     as one atomic sequence.  SPI driver controls include:
314
315       + when bidirectional reads and writes start ... by how its
316         sequence of spi_transfer requests is arranged;
317
318       + optionally defining short delays after transfers ... using
319         the spi_transfer.delay_usecs setting;
320
321       + whether the chipselect becomes inactive after a transfer and
322         any delay ... by using the spi_transfer.cs_change flag;
323
324       + hinting whether the next message is likely to go to this same
325         device ... using the spi_transfer.cs_change flag on the last
326         transfer in that atomic group, and potentially saving costs
327         for chip deselect and select operations.
328
329   - Follow standard kernel rules, and provide DMA-safe buffers in
330     your messages.  That way controller drivers using DMA aren't forced
331     to make extra copies unless the hardware requires it (e.g. working
332     around hardware errata that force the use of bounce buffering).
333
334     If standard dma_map_single() handling of these buffers is inappropriate,
335     you can use spi_message.is_dma_mapped to tell the controller driver
336     that you've already provided the relevant DMA addresses.
337
338   - The basic I/O primitive is spi_async().  Async requests may be
339     issued in any context (irq handler, task, etc) and completion
340     is reported using a callback provided with the message.
341     After any detected error, the chip is deselected and processing
342     of that spi_message is aborted.
343
344   - There are also synchronous wrappers like spi_sync(), and wrappers
345     like spi_read(), spi_write(), and spi_write_then_read().  These
346     may be issued only in contexts that may sleep, and they're all
347     clean (and small, and "optional") layers over spi_async().
348
349   - The spi_write_then_read() call, and convenience wrappers around
350     it, should only be used with small amounts of data where the
351     cost of an extra copy may be ignored.  It's designed to support
352     common RPC-style requests, such as writing an eight bit command
353     and reading a sixteen bit response -- spi_w8r16() being one its
354     wrappers, doing exactly that.
355
356 Some drivers may need to modify spi_device characteristics like the
357 transfer mode, wordsize, or clock rate.  This is done with spi_setup(),
358 which would normally be called from probe() before the first I/O is
359 done to the device.
360
361 While "spi_device" would be the bottom boundary of the driver, the
362 upper boundaries might include sysfs (especially for sensor readings),
363 the input layer, ALSA, networking, MTD, the character device framework,
364 or other Linux subsystems.
365
366 Note that there are two types of memory your driver must manage as part
367 of interacting with SPI devices.
368
369   - I/O buffers use the usual Linux rules, and must be DMA-safe.
370     You'd normally allocate them from the heap or free page pool.
371     Don't use the stack, or anything that's declared "static".
372
373   - The spi_message and spi_transfer metadata used to glue those
374     I/O buffers into a group of protocol transactions.  These can
375     be allocated anywhere it's convenient, including as part of
376     other allocate-once driver data structures.  Zero-init these.
377
378 If you like, spi_message_alloc() and spi_message_free() convenience
379 routines are available to allocate and zero-initialize an spi_message
380 with several transfers.
381
382
383 How do I write an "SPI Master Controller Driver"?
384 -------------------------------------------------
385 An SPI controller will probably be registered on the platform_bus; write
386 a driver to bind to the device, whichever bus is involved.
387
388 The main task of this type of driver is to provide an "spi_master".
389 Use spi_alloc_master() to allocate the master, and class_get_devdata()
390 to get the driver-private data allocated for that device.
391
392         struct spi_master       *master;
393         struct CONTROLLER       *c;
394
395         master = spi_alloc_master(dev, sizeof *c);
396         if (!master)
397                 return -ENODEV;
398
399         c = class_get_devdata(&master->cdev);
400
401 The driver will initialize the fields of that spi_master, including the
402 bus number (maybe the same as the platform device ID) and three methods
403 used to interact with the SPI core and SPI protocol drivers.  It will
404 also initialize its own internal state.
405
406     master->setup(struct spi_device *spi)
407         This sets up the device clock rate, SPI mode, and word sizes.
408         Drivers may change the defaults provided by board_info, and then
409         call spi_setup(spi) to invoke this routine.  It may sleep.
410
411     master->transfer(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
412         This must not sleep.  Its responsibility is arrange that the
413         transfer happens and its complete() callback is issued; the two
414         will normally happen later, after other transfers complete.
415
416     master->cleanup(struct spi_device *spi)
417         Your controller driver may use spi_device.controller_state to hold
418         state it dynamically associates with that device.  If you do that,
419         be sure to provide the cleanup() method to free that state.
420
421 The bulk of the driver will be managing the I/O queue fed by transfer().
422
423 That queue could be purely conceptual.  For example, a driver used only
424 for low-frequency sensor acess might be fine using synchronous PIO.
425
426 But the queue will probably be very real, using message->queue, PIO,
427 often DMA (especially if the root filesystem is in SPI flash), and
428 execution contexts like IRQ handlers, tasklets, or workqueues (such
429 as keventd).  Your driver can be as fancy, or as simple, as you need.
430
431
432 THANKS TO
433 ---------
434 Contributors to Linux-SPI discussions include (in alphabetical order,
435 by last name):
436
437 David Brownell
438 Russell King
439 Dmitry Pervushin
440 Stephen Street
441 Mark Underwood
442 Andrew Victor
443 Vitaly Wool
444