Linux SPI同步/异步接口分析

1 为什么需要同步和异步接口

先说下什么是同步和异步。就是字面意思啦。

• 同步：调用者发起一个操作，原地等待，直到操作完成，期间不能做别的事情。
• 异步：调用着发起一个操作，立即返回，不等待结果，可以处理其他事情，任务完成后通知调用者处理

我们看一个场景

假设上面一次SPI通信流程为：发送寄存器地址；等待SPI clock；读取数据。

一个线程A调用同步接口spi_sync()，此时线程A会被阻塞，一直等待整个过程完成再返回。

一个线程B调用异步接口spi_async()，此时线程B不用等待，可以去忙其他的事，等SPI传输完成再处理

2 spi_sync源码分析

我们先来看同步的接口函数spi_sync，它的作用就是同步提交一个message并等待完成
源码位置：drivers/spi/spi.c

int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
  int ret;

  mutex_lock(&spi->controller->bus_lock_mutex);
  ret = __spi_sync(spi, message);
  mutex_unlock(&spi->controller->bus_lock_mutex);

  return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_sync);

其中重要的就是上锁，为什么上锁？一个SPI Controller可能挂多个设备，统一时间只允许一个设备占用资源进行传输，保证传输不冲突。

整个调用过程如下：

其中在__spi_sync里面会调用一个重要函数wait_for_completion()，

static int __spi_sync(struct spi_device *spi,
                      struct spi_message *message)
{
    DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done);
    int status;
    struct spi_controller *ctlr = spi->controller;
    unsigned long flags;

    message->complete = spi_complete;
    message->context = &done;

    spin_lock_irqsave(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);
    status = __spi_async(spi, message);
    spin_unlock_irqrestore(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);

    if (status == 0) {
        wait_for_completion(&done);
        status = message->status;
    }

    message->complete = NULL;
    message->context = NULL;

    return status;
}

spi_sync() 并没有重新实现一套“同步传输”，而是先使用异步方式提交 spi_message，然后调用 wait_for_completion() 等待消息完成，从而表现为同步接口。

当消息传输完成时，会产生一个中断，从而唤醒线程。这个中断函数的实现由具体的SPI 控制器驱动。以RK系列为例子：

static irqreturn_t rockchip_spi_isr(int irq, void *dev_id)
{
    struct spi_controller *ctlr = dev_id;
    struct rockchip_spi *rs = spi_controller_get_devdata(ctlr);

    /* 检查中断状态 */
    /* 从RX FIFO读取数据 */
    /* 向TX FIFO继续写数据 */

    if (!rs->rx_left) {
        spi_enable_chip(rs, false);

        /* 关闭SPI中断 */
        writel_relaxed(0, rs->regs + ROCKCHIP_SPI_IMR);

        /* 清除中断 */
        writel_relaxed(0xffffffff, rs->regs + ROCKCHIP_SPI_ICR);

        /* 通知SPI Core：当前transfer完成 */
        spi_finalize_current_transfer(ctlr);
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

中断处理函数通过 spi_finalize_current_transfer() 通知 SPI Core。最终 SPI Core 完成整个消息并唤醒 spi_sync() 线程。

3 spi_async源码分析

前面我们说过spi_async提交SPI传输，但是不等待。
调用关系如下：

int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
  struct spi_controller *ctlr = spi->controller;
  int ret;
  unsigned long flags;

  ret = spi_maybe_optimize_message(spi, message);
  if (ret)
    return ret;

  spin_lock_irqsave(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);

  if (ctlr->bus_lock_flag)
    ret = -EBUSY;
  else
    ret = __spi_async(spi, message);

  spin_unlock_irqrestore(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);

  return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_async);

上面首先会获取SPI控制器，接着关闭当前 CPU 中断，获取 bus_lock_spinlock 自旋锁，把message加入消息队列。

怎么告诉控制器传输完成呢？通过回调机制

struct spi_message {

    void (*complete)(void *arg);

    void *context;

};

当硬件传输完成时，会调用message->complete()。

4 实际选择

对比维度	spi_sync	spi_async
是否等待	是，调用者原地阻塞	否，立即返回
线程状态	阻塞（睡眠）	继续运行
完成通知	函数返回值	回调函数 (callback)
并发能力	低，锁住整个 bus	高，仅队列操作加锁
适用场景	简单、低频、低速设备	复杂、高频、高速设备
在实际操作时，如果数据量小，频率比较低，那么可以选择同步；如果数据量较大，高频率，用到DMA，那么可以选择异步。

总结

Linux SPI Framework提供同步和异步两种传输接口。同步接口spi_sync会阻塞当前线程直到SPI传输完成，实现简单，适用于低速、小数据量设备。异步接口spi_async通过消息队列和completion回调机制，在提交传输后立即返回，适用于高速、大数据量以及DMA传输场景。

互动

SPI设备驱动发起一次数据传输时，当前线程是否需要等待硬件完成？