Linux下I2C設備驅動開發(fā)和實現

I2C總線具有結構簡單使用方便的特點。本文描述了linux下I2C驅動的結構，并在此基礎上給出了I2C設備驅動和應用的實現。

1 引言

I2C (Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。I2C總線最初為音頻和視頻設備開發(fā)，現已應用于各種服務與管理場合，來實現配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源、系統(tǒng)風扇、系統(tǒng)溫度等參數，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。

2 I2C總線概述

I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數據，每個器件都有一個惟一的地址識別。I2C 規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數據到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數據則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。

I2C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。

結束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。

應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發(fā)送數據的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。

3 Linux的I2C驅動架

Linux中I2C總線的驅動分為兩個部分，總線驅動（BUS）和設備驅動（DEVICE）。其中總線驅動的職責，是為系統(tǒng)中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。但是總線驅動本身并不會進行任何的通訊，它只是存在那里，等待設備驅動調用其函數，參見圖1。

設備驅動則是與掛在I2C總線上的具體的設備通訊的驅動。通過I2C總線驅動提供的函數，設備驅動可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實現細節(jié)地與硬件設備通訊。

圖1 Linux內核I2C總線驅動程序構架

在我們的Linux驅動的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個文件。其中i2c-core.c文件實現了I2C core框架，是Linux內核用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態(tài)的List，分別記錄系統(tǒng)中的I2C driver結構和I2C adapter結構。I2C core提供接口函數，允許一個I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時在I2C core中進行注冊，以及退出時進行注銷。同時還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口，主要應用在I2C設備驅動中。

Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實現了PowerPC下I2C總線適配器驅動，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構，實現比較底層的對I2C總線訪問的具體方法。I2C adapter 構造一個對I2C core層接口的數據結構，并通過接口函數向I2C core注冊一個控制器。I2C adapter主要實現對I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數就是I2C adapter底層對I2C總線讀寫方法的實現。同時I2C adpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。

i2c-dev.c文件中實現了I2C driver，提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，實現了字符類型設備的訪問接口，實現了對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準文件操作的接口函數。我們可以通過open函數打開 I2C的設備文件，通過ioctl函數設定要訪問從設備的地址，然后就可以通過 read和write函數完成對I2C設備的讀寫操作。

通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的設備，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基于一般設備的實現，所有的操作數據都是基于字節(jié)流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設備，我們可以為一個具體的I2C設備開發(fā)特定的I2C設備驅動程序，在驅動中完成對特定的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。

4 Linux下I2C具體驅動開發(fā)

TMP75是TI公司推出的基于I2C總線的數字溫度傳感器，具有低的功耗，高數字分辨率，廣泛應用于電源溫度監(jiān)控，計算機外設保護，筆記本和蜂窩電話中。針對該設備開發(fā)驅動程序，由于linux系統(tǒng)下已經實現了I2C core框架，I2C總線適配器驅動，同時通過i2c-dev.c文件提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，因此我們的驅動程序的開發(fā)主要集中在TMP75設備驅動程序這一層，用來實現針對TMP75設備的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。

根據TMP75的具體寄存器地址和功能定義：
#define TMP75_REG_TEMP 0x00 //溫度寄存器地址
#define TMP75_REG_CONF 0x01 //配置寄存器地址
#define TMP75_REG_TEMP_LOW 0x02 //低溫閾值寄存器地址
#define TMP75_REG_TEMP_HIGH 0x03 //高溫閾值寄存器地址

定義一個TMP75_data結構體和一系列函數實現總線初始化時的設備檢測加載、設備刪除時的數據操作。
struct TMP75_data {
struct i2c_client client；
struct semaphore update_lock；
char valid； /* !=0 if following fields are valid */
unsigned long last_updated； /* In jiffies */
u16 temp_input； /* Register values */
u16 temp_max；
u16 temp_hyst；
}；

static int TMP 75_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)；
static int TMP 75_detect(struct i2c_adapter *adapter，int address，int kind)；
static void TMP 75_init_client(struct i2c_client *client)；
static int TMP 75_detach_client(struct i2c_client *client)；
static int TMP 75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)；
static int TMP 75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)；
static struct TMP 75_data *tmp75_update_device(struct device *dev)；

其中針對TMP75設備寄存器的特定格式定義TMP75寄存器讀寫的兩個函數如下：
static int TMP75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)
{
if (reg == TMP75_REG_CONF)
return i2c_smbus_write_byte_data(client，reg，value)；
else
return i2c_smbus_write_word_data(client，reg，swab16(value))；
}

static int TMP75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)
{
if (reg == TMP 75_REG_CONF)
return i2c_smbus_read_byte_data(client，reg)；
else
return swab16(i2c_smbus_read_word_data(client，reg))；
}
具體的設備驅動程序完成之后將TMP75設備驅動的配置選項添加到chips文件夾下的kconfig文件中，這樣在配置內核選項時就可以把TMP75設備驅動添加到內核中。

5 Linux下I2C應用程序開發(fā)

Linux中應用程序要使用本驅動來訪問外部I2C器件，首先要通過open()來打開其驅動，使用完畢后使用close()將其關閉。
int fd；
fd = open(/dev/i2c/0，O_RDWR)；
……
close(fd)；

I2C總線控制器驅動提供的API函數提供了ioctl()函數用于設定I2C總線控制器的一些參數，本應用程序調用ioctl函數將I2C總線設置為7位地址模式，同時設置I2C從機地址。
ioctl(fd，I2C_TENBIT，0)
ioctl(fd，I2C_SLAVE，SLAVE_ADDR)

對TMP75的初始化工作通過調用write()函數實現，通過調用該函數實現對配置寄存器、高溫閾值和低溫閾值寄存器的初始化配置。
//配置寄存器的初始化
senbuf[0]=0x01；
senbuf[1]=I2C_CONF_INITDATA；
write(fd，sendbuf，2)；

對TMP75當前工作溫度的讀取通過調用write()函數先寫入溫度寄存器的地址，然后調用read()函數讀取寄存器2字節(jié)的溫度數據實現。
write(fd，0x0，1)；
read(fd，recbuf，2)；

6 總結

I2C總線結構簡單使用方便。linux系統(tǒng)下I2C的驅動程序具有清晰的層次結構，借助于成熟的驅動的例子用戶很容易開發(fā)出針對自己產品的相應驅動。本文分析了Linux系統(tǒng)下I2C驅動結構，并在此基礎上實現了一個具體的I2C設備的驅動，并在此基礎上給出了對I2C總線實現訪問的用戶應用實現。