Merge branch 'master' of /pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6
[linux-2.6] / Documentation / spi / spi-summary
1 Overview of Linux kernel SPI support
2 ====================================
3
4 21-May-2007
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 It's a simple "de facto" standard, not complicated enough to acquire a
11 standardization body.  SPI uses a master/slave configuration.
12
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.
20
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.
26
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).
30
31   - SPI may be used for request/response style device protocols, as with
32     touchscreen sensors and memory chips.
33
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).
36
37   - Some devices may use eight bit words.  Others may different word
38     lengths, such as streams of 12-bit or 20-bit digital samples.
39
40   - Words are usually sent with their most significant bit (MSB) first,
41     but sometimes the least significant bit (LSB) goes first instead.
42
43   - Sometimes SPI is used to daisy-chain devices, like shift registers.
44
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.
49
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.
55
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.)
63
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.
67
68
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.
76
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.
80
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.
88
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.
92
93
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:
98
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.
103
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.
106
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.
110
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.
113
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.
118
119
120 How do these driver programming interfaces work?
121 ------------------------------------------------
122 The <linux/spi/spi.h> header file includes kerneldoc, as does the
123 main source code, and you should certainly read that chapter of the
124 kernel API document.  This is just an overview, so you get the big
125 picture before those details.
126
127 SPI requests always go into I/O queues.  Requests for a given SPI device
128 are always executed in FIFO order, and complete asynchronously through
129 completion callbacks.  There are also some simple synchronous wrappers
130 for those calls, including ones for common transaction types like writing
131 a command and then reading its response.
132
133 There are two types of SPI driver, here called:
134
135   Controller drivers ... controllers may be built in to System-On-Chip
136         processors, and often support both Master and Slave roles.
137         These drivers touch hardware registers and may use DMA.
138         Or they can be PIO bitbangers, needing just GPIO pins.
139
140   Protocol drivers ... these pass messages through the controller
141         driver to communicate with a Slave or Master device on the
142         other side of an SPI link.
143
144 So for example one protocol driver might talk to the MTD layer to export
145 data to filesystems stored on SPI flash like DataFlash; and others might
146 control audio interfaces, present touchscreen sensors as input interfaces,
147 or monitor temperature and voltage levels during industrial processing.
148 And those might all be sharing the same controller driver.
149
150 A "struct spi_device" encapsulates the master-side interface between
151 those two types of driver.  At this writing, Linux has no slave side
152 programming interface.
153
154 There is a minimal core of SPI programming interfaces, focussing on
155 using the driver model to connect controller and protocol drivers using
156 device tables provided by board specific initialization code.  SPI
157 shows up in sysfs in several locations:
158
159    /sys/devices/.../CTLR ... physical node for a given SPI controller
160
161    /sys/devices/.../CTLR/spiB.C ... spi_device on bus "B",
162         chipselect C, accessed through CTLR.
163
164    /sys/bus/spi/devices/spiB.C ... symlink to that physical
165         .../CTLR/spiB.C device
166
167    /sys/devices/.../CTLR/spiB.C/modalias ... identifies the driver
168         that should be used with this device (for hotplug/coldplug)
169
170    /sys/bus/spi/drivers/D ... driver for one or more spi*.* devices
171
172    /sys/class/spi_master/spiB ... symlink (or actual device node) to
173         a logical node which could hold class related state for the
174         controller managing bus "B".  All spiB.* devices share one
175         physical SPI bus segment, with SCLK, MOSI, and MISO.
176
177 Note that the actual location of the controller's class state depends
178 on whether you enabled CONFIG_SYSFS_DEPRECATED or not.  At this time,
179 the only class-specific state is the bus number ("B" in "spiB"), so
180 those /sys/class entries are only useful to quickly identify busses.
181
182
183 How does board-specific init code declare SPI devices?
184 ------------------------------------------------------
185 Linux needs several kinds of information to properly configure SPI devices.
186 That information is normally provided by board-specific code, even for
187 chips that do support some of automated discovery/enumeration.
188
189 DECLARE CONTROLLERS
190
191 The first kind of information is a list of what SPI controllers exist.
192 For System-on-Chip (SOC) based boards, these will usually be platform
193 devices, and the controller may need some platform_data in order to
194 operate properly.  The "struct platform_device" will include resources
195 like the physical address of the controller's first register and its IRQ.
196
197 Platforms will often abstract the "register SPI controller" operation,
198 maybe coupling it with code to initialize pin configurations, so that
199 the arch/.../mach-*/board-*.c files for several boards can all share the
200 same basic controller setup code.  This is because most SOCs have several
201 SPI-capable controllers, and only the ones actually usable on a given
202 board should normally be set up and registered.
203
204 So for example arch/.../mach-*/board-*.c files might have code like:
205
206         #include <asm/arch/spi.h>       /* for mysoc_spi_data */
207
208         /* if your mach-* infrastructure doesn't support kernels that can
209          * run on multiple boards, pdata wouldn't benefit from "__init".
210          */
211         static struct mysoc_spi_data __init pdata = { ... };
212
213         static __init board_init(void)
214         {
215                 ...
216                 /* this board only uses SPI controller #2 */
217                 mysoc_register_spi(2, &pdata);
218                 ...
219         }
220
221 And SOC-specific utility code might look something like:
222
223         #include <asm/arch/spi.h>
224
225         static struct platform_device spi2 = { ... };
226
227         void mysoc_register_spi(unsigned n, struct mysoc_spi_data *pdata)
228         {
229                 struct mysoc_spi_data *pdata2;
230
231                 pdata2 = kmalloc(sizeof *pdata2, GFP_KERNEL);
232                 *pdata2 = pdata;
233                 ...
234                 if (n == 2) {
235                         spi2->dev.platform_data = pdata2;
236                         register_platform_device(&spi2);
237
238                         /* also: set up pin modes so the spi2 signals are
239                          * visible on the relevant pins ... bootloaders on
240                          * production boards may already have done this, but
241                          * developer boards will often need Linux to do it.
242                          */
243                 }
244                 ...
245         }
246
247 Notice how the platform_data for boards may be different, even if the
248 same SOC controller is used.  For example, on one board SPI might use
249 an external clock, where another derives the SPI clock from current
250 settings of some master clock.
251
252
253 DECLARE SLAVE DEVICES
254
255 The second kind of information is a list of what SPI slave devices exist
256 on the target board, often with some board-specific data needed for the
257 driver to work correctly.
258
259 Normally your arch/.../mach-*/board-*.c files would provide a small table
260 listing the SPI devices on each board.  (This would typically be only a
261 small handful.)  That might look like:
262
263         static struct ads7846_platform_data ads_info = {
264                 .vref_delay_usecs       = 100,
265                 .x_plate_ohms           = 580,
266                 .y_plate_ohms           = 410,
267         };
268
269         static struct spi_board_info spi_board_info[] __initdata = {
270         {
271                 .modalias       = "ads7846",
272                 .platform_data  = &ads_info,
273                 .mode           = SPI_MODE_0,
274                 .irq            = GPIO_IRQ(31),
275                 .max_speed_hz   = 120000 /* max sample rate at 3V */ * 16,
276                 .bus_num        = 1,
277                 .chip_select    = 0,
278         },
279         };
280
281 Again, notice how board-specific information is provided; each chip may need
282 several types.  This example shows generic constraints like the fastest SPI
283 clock to allow (a function of board voltage in this case) or how an IRQ pin
284 is wired, plus chip-specific constraints like an important delay that's
285 changed by the capacitance at one pin.
286
287 (There's also "controller_data", information that may be useful to the
288 controller driver.  An example would be peripheral-specific DMA tuning
289 data or chipselect callbacks.  This is stored in spi_device later.)
290
291 The board_info should provide enough information to let the system work
292 without the chip's driver being loaded.  The most troublesome aspect of
293 that is likely the SPI_CS_HIGH bit in the spi_device.mode field, since
294 sharing a bus with a device that interprets chipselect "backwards" is
295 not possible until the infrastructure knows how to deselect it.
296
297 Then your board initialization code would register that table with the SPI
298 infrastructure, so that it's available later when the SPI master controller
299 driver is registered:
300
301         spi_register_board_info(spi_board_info, ARRAY_SIZE(spi_board_info));
302
303 Like with other static board-specific setup, you won't unregister those.
304
305 The widely used "card" style computers bundle memory, cpu, and little else
306 onto a card that's maybe just thirty square centimeters.  On such systems,
307 your arch/.../mach-.../board-*.c file would primarily provide information
308 about the devices on the mainboard into which such a card is plugged.  That
309 certainly includes SPI devices hooked up through the card connectors!
310
311
312 NON-STATIC CONFIGURATIONS
313
314 Developer boards often play by different rules than product boards, and one
315 example is the potential need to hotplug SPI devices and/or controllers.
316
317 For those cases you might need to use spi_busnum_to_master() to look
318 up the spi bus master, and will likely need spi_new_device() to provide the
319 board info based on the board that was hotplugged.  Of course, you'd later
320 call at least spi_unregister_device() when that board is removed.
321
322 When Linux includes support for MMC/SD/SDIO/DataFlash cards through SPI, those
323 configurations will also be dynamic.  Fortunately, such devices all support
324 basic device identification probes, so they should hotplug normally.
325
326
327 How do I write an "SPI Protocol Driver"?
328 ----------------------------------------
329 Most SPI drivers are currently kernel drivers, but there's also support
330 for userspace drivers.  Here we talk only about kernel drivers.
331
332 SPI protocol drivers somewhat resemble platform device drivers:
333
334         static struct spi_driver CHIP_driver = {
335                 .driver = {
336                         .name           = "CHIP",
337                         .owner          = THIS_MODULE,
338                 },
339
340                 .probe          = CHIP_probe,
341                 .remove         = __devexit_p(CHIP_remove),
342                 .suspend        = CHIP_suspend,
343                 .resume         = CHIP_resume,
344         };
345
346 The driver core will autmatically attempt to bind this driver to any SPI
347 device whose board_info gave a modalias of "CHIP".  Your probe() code
348 might look like this unless you're creating a device which is managing
349 a bus (appearing under /sys/class/spi_master).
350
351         static int __devinit CHIP_probe(struct spi_device *spi)
352         {
353                 struct CHIP                     *chip;
354                 struct CHIP_platform_data       *pdata;
355
356                 /* assuming the driver requires board-specific data: */
357                 pdata = &spi->dev.platform_data;
358                 if (!pdata)
359                         return -ENODEV;
360
361                 /* get memory for driver's per-chip state */
362                 chip = kzalloc(sizeof *chip, GFP_KERNEL);
363                 if (!chip)
364                         return -ENOMEM;
365                 spi_set_drvdata(spi, chip);
366
367                 ... etc
368                 return 0;
369         }
370
371 As soon as it enters probe(), the driver may issue I/O requests to
372 the SPI device using "struct spi_message".  When remove() returns,
373 or after probe() fails, the driver guarantees that it won't submit
374 any more such messages.
375
376   - An spi_message is a sequence of protocol operations, executed
377     as one atomic sequence.  SPI driver controls include:
378
379       + when bidirectional reads and writes start ... by how its
380         sequence of spi_transfer requests is arranged;
381
382       + optionally defining short delays after transfers ... using
383         the spi_transfer.delay_usecs setting;
384
385       + whether the chipselect becomes inactive after a transfer and
386         any delay ... by using the spi_transfer.cs_change flag;
387
388       + hinting whether the next message is likely to go to this same
389         device ... using the spi_transfer.cs_change flag on the last
390         transfer in that atomic group, and potentially saving costs
391         for chip deselect and select operations.
392
393   - Follow standard kernel rules, and provide DMA-safe buffers in
394     your messages.  That way controller drivers using DMA aren't forced
395     to make extra copies unless the hardware requires it (e.g. working
396     around hardware errata that force the use of bounce buffering).
397
398     If standard dma_map_single() handling of these buffers is inappropriate,
399     you can use spi_message.is_dma_mapped to tell the controller driver
400     that you've already provided the relevant DMA addresses.
401
402   - The basic I/O primitive is spi_async().  Async requests may be
403     issued in any context (irq handler, task, etc) and completion
404     is reported using a callback provided with the message.
405     After any detected error, the chip is deselected and processing
406     of that spi_message is aborted.
407
408   - There are also synchronous wrappers like spi_sync(), and wrappers
409     like spi_read(), spi_write(), and spi_write_then_read().  These
410     may be issued only in contexts that may sleep, and they're all
411     clean (and small, and "optional") layers over spi_async().
412
413   - The spi_write_then_read() call, and convenience wrappers around
414     it, should only be used with small amounts of data where the
415     cost of an extra copy may be ignored.  It's designed to support
416     common RPC-style requests, such as writing an eight bit command
417     and reading a sixteen bit response -- spi_w8r16() being one its
418     wrappers, doing exactly that.
419
420 Some drivers may need to modify spi_device characteristics like the
421 transfer mode, wordsize, or clock rate.  This is done with spi_setup(),
422 which would normally be called from probe() before the first I/O is
423 done to the device.  However, that can also be called at any time
424 that no message is pending for that device.
425
426 While "spi_device" would be the bottom boundary of the driver, the
427 upper boundaries might include sysfs (especially for sensor readings),
428 the input layer, ALSA, networking, MTD, the character device framework,
429 or other Linux subsystems.
430
431 Note that there are two types of memory your driver must manage as part
432 of interacting with SPI devices.
433
434   - I/O buffers use the usual Linux rules, and must be DMA-safe.
435     You'd normally allocate them from the heap or free page pool.
436     Don't use the stack, or anything that's declared "static".
437
438   - The spi_message and spi_transfer metadata used to glue those
439     I/O buffers into a group of protocol transactions.  These can
440     be allocated anywhere it's convenient, including as part of
441     other allocate-once driver data structures.  Zero-init these.
442
443 If you like, spi_message_alloc() and spi_message_free() convenience
444 routines are available to allocate and zero-initialize an spi_message
445 with several transfers.
446
447
448 How do I write an "SPI Master Controller Driver"?
449 -------------------------------------------------
450 An SPI controller will probably be registered on the platform_bus; write
451 a driver to bind to the device, whichever bus is involved.
452
453 The main task of this type of driver is to provide an "spi_master".
454 Use spi_alloc_master() to allocate the master, and spi_master_get_devdata()
455 to get the driver-private data allocated for that device.
456
457         struct spi_master       *master;
458         struct CONTROLLER       *c;
459
460         master = spi_alloc_master(dev, sizeof *c);
461         if (!master)
462                 return -ENODEV;
463
464         c = spi_master_get_devdata(master);
465
466 The driver will initialize the fields of that spi_master, including the
467 bus number (maybe the same as the platform device ID) and three methods
468 used to interact with the SPI core and SPI protocol drivers.  It will
469 also initialize its own internal state.  (See below about bus numbering
470 and those methods.)
471
472 After you initialize the spi_master, then use spi_register_master() to
473 publish it to the rest of the system.  At that time, device nodes for
474 the controller and any predeclared spi devices will be made available,
475 and the driver model core will take care of binding them to drivers.
476
477 If you need to remove your SPI controller driver, spi_unregister_master()
478 will reverse the effect of spi_register_master().
479
480
481 BUS NUMBERING
482
483 Bus numbering is important, since that's how Linux identifies a given
484 SPI bus (shared SCK, MOSI, MISO).  Valid bus numbers start at zero.  On
485 SOC systems, the bus numbers should match the numbers defined by the chip
486 manufacturer.  For example, hardware controller SPI2 would be bus number 2,
487 and spi_board_info for devices connected to it would use that number.
488
489 If you don't have such hardware-assigned bus number, and for some reason
490 you can't just assign them, then provide a negative bus number.  That will
491 then be replaced by a dynamically assigned number. You'd then need to treat
492 this as a non-static configuration (see above).
493
494
495 SPI MASTER METHODS
496
497     master->setup(struct spi_device *spi)
498         This sets up the device clock rate, SPI mode, and word sizes.
499         Drivers may change the defaults provided by board_info, and then
500         call spi_setup(spi) to invoke this routine.  It may sleep.
501         Unless each SPI slave has its own configuration registers, don't
502         change them right away ... otherwise drivers could corrupt I/O
503         that's in progress for other SPI devices.
504
505     master->transfer(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
506         This must not sleep.  Its responsibility is arrange that the
507         transfer happens and its complete() callback is issued.  The two
508         will normally happen later, after other transfers complete, and
509         if the controller is idle it will need to be kickstarted.
510
511     master->cleanup(struct spi_device *spi)
512         Your controller driver may use spi_device.controller_state to hold
513         state it dynamically associates with that device.  If you do that,
514         be sure to provide the cleanup() method to free that state.
515
516
517 SPI MESSAGE QUEUE
518
519 The bulk of the driver will be managing the I/O queue fed by transfer().
520
521 That queue could be purely conceptual.  For example, a driver used only
522 for low-frequency sensor acess might be fine using synchronous PIO.
523
524 But the queue will probably be very real, using message->queue, PIO,
525 often DMA (especially if the root filesystem is in SPI flash), and
526 execution contexts like IRQ handlers, tasklets, or workqueues (such
527 as keventd).  Your driver can be as fancy, or as simple, as you need.
528 Such a transfer() method would normally just add the message to a
529 queue, and then start some asynchronous transfer engine (unless it's
530 already running).
531
532
533 THANKS TO
534 ---------
535 Contributors to Linux-SPI discussions include (in alphabetical order,
536 by last name):
537
538 David Brownell
539 Russell King
540 Dmitry Pervushin
541 Stephen Street
542 Mark Underwood
543 Andrew Victor
544 Vitaly Wool
545