spi-mem: 為SPI存儲器生態帶來一些一致性

在本文中，我們將介紹關於spi-mem Linux內核框架的工作，該框架將允許在SPI NOR設備和常規SPI設備以及SPI NAND設備上復用SPI控制器驅動程序。

從SPI到雙線、四線、八線SPI

在過去，SPI是一個簡單的協議，總線上的所有設備只共享3根信號線:

• MISO: Master In Slave Out，主設備輸入從設備輸出線
• MOSI: Master Out Slave In，主設備輸出從設備輸入線
• SCLK: Serial Clock，時鍾線

另外每個設備有一個獨立信號線，用於選擇我們想要通信的設備:

• SS: Slave Select，從設備選擇線 (有時也稱為片選線CS，Chip Select)

但隨后SPI存儲出現了。它從較小且相對較慢的SPI NORs開始，如dataflash、EEPROMs和SRAMs，然后逐漸發展到較大的SPI NORs和SPI NANDs。像往常一樣，當涉及到處理存儲時，我們希望得到最佳性能表現。SPI總線的限制很快成為瓶頸，因此供應商決定添加更多的I/O線路，並使 MISO/MOSI 線可以雙向通信。現在我們看到SPI控制器支持最多8路I/O。這就是業內所說的DualSPI QuadSPI和OctoSPI。

為了在主從設備的數據傳輸中用上所有的I/O線，必須有某種主從設備之間的協議，這樣雙方才能知道，何時可以在I/O線上收發數據，應該使用多少根I/O線等。這些由一組從設備預定義的操作規定了如何進行，主設備必須遵循這組操作的規定，進入特定的發送或接收狀態。SPI存儲器操作通常包括：

• 1字節的操作碼，表示將要進行從操作 (未來將很快會將出現2字節的操作碼，請做好准備)
• 0-N 字節的地址，其含義取決於操作碼(可以是絕對內存地址，或其他含義)
• 0-N 字節的啞字節，使得從設備有足夠的時間來進入操作碼請求的特定狀態，同樣，啞字節的數量時取決於操作碼的
• 0-N 字節的輸入或輸出數據，方向是取決於操作碼

請注意，雖然這個協議傾向於被用於存儲設備，但並沒有什么能限制它只能用於存儲設備，如果一些FPGA使用相同的協議來操作非存儲設備，我也不會感到驚訝。

Linux SPI 生態

Linux支持雙線SPI和四線SPI模式已經有一段時間了(v3.12)， SPI設備驅動程序可以為每個SPI傳輸指定I/O通道的數量。使用這種方式，對SPI存儲的操作可以被分為多次SPI傳輸，每次SPI傳輸使用預定義數量的I/O通道進行傳輸。

這種方式可以正常工作，直到一些IP供應商決定讓它們的SPI控制器更加智能，嵌入某種高級接口，可以在單個的步驟中執行SPI存儲器的操作，而不是使用分開的多次傳輸操作。(事實上，大多數SPI控制器甚至比這更加智能，可以允許你直接將SPI存儲映射到CPU的地址空間，但讓我們先把這種情況留待以后處理吧)。在這種情況下，我們需要賦予SPI控制器更多的控制權，這樣它就可以決定具體該做什么，而不必從一組分散的SPI傳輸命令中，重建SPI存儲器操作。

當時的決定是，將這些控制器專門用於一個任務，控制SPI NORs（當時這是唯一會用到雙線和四線模式的情況），SPI NOR框架就是為此而創建的。

由於這個決定，我們現在在Linux中有一個SPI NOR框架用於連接SPI NOR控制器驅動和SPI NOR的邏輯代碼（spi-nor 子系統），同時我們有常規的SPI控制器驅動，可以進行基礎的SPI傳輸（spi 子系統）。然而，從硬件的角度看，能為SPI NOR提供特殊特性的SPI控制器，一般也擁有進行基本傳輸的能力，即可用於控制常規的SPI設備。不幸的是，基於當前的spi-nor 子系統和spi 子系統是分裂開來的情況，如果一個SPI控制器被spi-nor子系統的驅動支持了，它將無法被用於與spi子系統中的常規設備進行通信。

作為一個針對這個問題的部分的解決方案，->spi_flash_read()操作被添加到結構體 spi_controller中，這允許spi子系統中的常規spi控制器驅動提供一個較優的方式，來從SPI NOR存儲中讀取數據，這種方式被通用SPI NOR驅動m25p80所使用。然而，這個解決方案是部分的，因為它只優化了讀取，並且僅限於SPI NORs。

在當前的架構中，我們有

• SPI NOR框架，它包含與SPI NOR存儲器通訊的協議。這個框架依賴於結構體spi_nor中列出的接口，這些接口的實現是：
• 專用的SPI NOR控制器，支持專用於SPI NORs的高級SPI控制器
• m25p80驅動，提供同樣的接口，但基於常規SPI控制器驅動，可能具有->spi_flash_read()的優化

是什么促使我們提出SPI存儲器接口?

我們之前已經看到，基於SPI NOR框架，SPI NOR存儲器已經得到了適當的支持。但NORs 並非SPI總線上唯一的存儲設備，SPI NANDs 正在變得越來越流行。
Peter Pan提出了一個遵循SPI NOR模型的，用於支持SPI NAND設備的框架: SPI控制器必須實現SPI NAND控制器接口才能控制SPI NAND。但是當我們更深入地參與到這個開發中時，我們很快意識到沿着這條路走會有多么麻煩，因為這意味着，如果SPI控制器想要同時控制兩種設備，就必須同時實現SPI NOR和SPI NAND接口。當SPI NVRAM或任何其他類型的存儲制造商決定采用SPI總線時，將會發生什么?再添加一個SPI控制器必須實現的接口？這聽起來不是個好主意。

因此我們決定用另外的方式解決這個問題，嘗試找出SPI NANDs和SPI NORs的共同點。SPI NORs和SPI NANDs 指令集不同，行為和約束也不同(主要是由於NOR和NAND本身的不同)，但當與設備交互時，都遵循同樣的SPI存儲器操作語義，這也是高級控制器都在嘗試優化的部分。

SPI 存儲器層只是提供一種方式給SPI控制器驅動，用於傳遞高級SPI存儲器操作，而不是讓它們處理SPI傳輸細節並自行嘗試優化它們。這同樣簡化了SPI存儲器驅動，因為它們只需要按照SPI存儲器規范發送SPI存儲器操作指令，不需要關心復雜的、不斷發展的、依賴具體存儲器的接口。

有了這個新的架構，SPI NOR和SPI NAND都可以基於相同的SPI控制器驅動進行支持了。m25p80驅動將被修改成，使用spi-mem接口，取代具有局限性的->spi_flash_read()接口。目前，我們仍然有專用的SPI NOR控制器驅動，但最終目標是移除它們，並將它們移植為 drivers/spi 下的普通SPI控制器驅動。非常歡迎這方面的幫助和貢獻。

SPI存儲器API是什么樣子的?

SPI存儲器的API 由 include/linux/spi/spi-mem.h 描述。

希望使用SPI存儲器API的SPI設備驅動程序，應該將自己聲明為spi_mem_drivers，並實現->probe()和->remove()函數。
它們將被傳入一個spi_mem對象，它只是一個圍繞spi_device對象的簡單包裝，我們引入一個不同的對象的原因是，我們希望能夠拓展spi_mem對象，並在需要時附加更多的信息（例如存儲器類型，存儲器組織方式和其他的高級SPI控制器可能需要的信息）。
當驅動想要執行SPI存儲器操作時，它將填充spi_mem_op結構並調用spi_mem_exec_op()。另外，可以使用spi_mem_supports_op()，測試一個SPI控制器是否支持特定的存儲器操作，使用spi_mem_adjust_op_size()，獲取控制器支持的最大傳輸大小，並嘗試拆分數據傳輸以避免超出限制。

現在讓我們看下控制器端。一個希望優化SPI存儲器操作的SPI控制器，可以實現spi_mem_ops接口，該接口包含三個直接對應用戶API的方法：

• ->exec_op():執行存儲器操作，如果不支持則返回-ENOTSUPP。
• ->supports_op(): 檢查這個存儲器操作是否支持。
• ->adjust_op_size(): 調整存儲器操作的數據傳輸大小，以符合對齊要求和最大FIFO大小的約束。

注意，當spi_mem_ops 沒有實現時，core層將通過創建由多個SPI傳輸組成的SPI消息，來添加對該特性的通用支持，就像以前通用SPI NOR控制器驅動程序(名為m25p80)所做的那樣。

如你所見，這些API非常直截了當，所以希望有更多的SPI存儲器驅動能夠轉換為使用它，而不是手動創建包含多個SPI傳輸的SPI消息。

當前狀態

一部分已經被貢獻出去並合並，計划成為Linux 4.18的一部分：

• spi-mem層本身在commit c36ff266dc82f4ae797a6f3513c6ffa344f7f1c7。
• 兩個之前使用->spi_flash_read接口實現的SPI控制器驅動，現在改為基於spi-mem實現
  bcm-qspi 和 ti-qspi.
• ->spi_flash_read 接口由以下commit移除：c1f5ba70decfc2f35edcc10505e3e78fb528d212.
• m25p80驅動，由以下commit修改為使用spi-mem: 4120f8d158ef904fb305b27e4a4524649faf3096.

下一步是什么？

先進的SPI控制器不僅能夠優化SPI存儲器操作的執行，它們可以進一步將所有存儲器訪問的復雜性隱藏起來，提供一個直接映射的IOMEM區域，對此區域的訪問會自動在總線上觸發SPI存儲器操作，為你完成數據的收發，這樣的行為就像一個連接在並行的內存總線上的內存。可以想象，這將允許更高的吞吐量和更少的用於SPI存儲器操作管理的CPU時間，但這同時也是一個難以通過常規的方式進行支持的功能。我們已經在linux-mtd郵件列表上發布了一個支持這種直接映射功能的建議。

如前所述，另一個具有挑戰性的主題是，將所有的SPI NOR控制器驅動轉換為基於SPI mem模型，以便所有的QSPI控制器都真正表現為SPI控制器而非SPI NOR控制器。這可能需要一些時間，因為目前在driver/mtd/spi-nor 下有10個驅動，我們只知道其中2個被轉換為了SPI mem方法(fsl-quadspi和atmel-quadspi)。

本文地址 https://www.cnblogs.com/zqb-all/p/10810054.html

譯自 https://bootlin.com/blog/spi-mem-bringing-some-consistency-to-the-spi-memory-ecosystem/

原作者 Boris Brezillon