嵌入式Linux下的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　由于I2C總線的通用性，Linux作為一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，也必須要對(duì)其要有很好的支持。在Linux內(nèi)核源碼中對(duì)I2C總線的驅(qū)動(dòng)是基于總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型的，其驅(qū)動(dòng)程序用到了特殊的幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)I2C總線協(xié)議進(jìn)行了更抽象更通用的定義，極大的增加了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的可移植性。要編寫(xiě)出自己的I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，必須對(duì)這種內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)有深刻的理解。

　　1 I2C總線的硬件構(gòu)成

　　I2C 總線協(xié)議只有兩條總線線路，一條是串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條是串行時(shí)鐘線（SCL）。SDA 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，SCL 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘同步。I2C 設(shè)備通過(guò)這兩條總線連接到處理器的I2C總線控制器上，不同設(shè)備之間通過(guò)7 位地址來(lái)區(qū)別，而且數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，方向的確定由1位二進(jìn)制數(shù)確定，地址位加方向位是操作I2C 設(shè)備的惟一標(biāo)示，I2C 設(shè)備與CPU 的連接如圖1所示。

　　I2C 總線上有3 種類型的信號(hào)，分別是：開(kāi)始信號(hào)，結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。這些信號(hào)都是由SDA和SCL上的電平變化來(lái)表示的。

　　開(kāi)始信號(hào)（S）：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

　　結(jié)束信號(hào)（P）：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDAY由低電平向高電平跳變，表示結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)。

　　相應(yīng)信號(hào)（ACK）：從機(jī)接收到8位數(shù)據(jù)后，在第9個(gè)時(shí)鐘周期，拉低SDA電平，表示已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)總線空閑時(shí)，SDA 和SCL 都處于高電平，主機(jī)檢測(cè)到總線空閑就可以向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)首先發(fā)送開(kāi)始信號(hào)S,接著發(fā)出8位數(shù)據(jù)（包括前7位的從機(jī)地址和1 為的方向位），然后等待從機(jī)發(fā)回確認(rèn)信號(hào)ACK.

　　當(dāng)?shù)?位為0時(shí)，表示向從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)收到確認(rèn)信號(hào)后就可以連續(xù)的向從機(jī)寫(xiě)入8 位數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)? 位為1時(shí)，表示向從讀取數(shù)據(jù)，這時(shí)主機(jī)就可以接收來(lái)自從機(jī)的一系列數(shù)據(jù)。最后當(dāng)總個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程完成后，由主機(jī)發(fā)送結(jié)束信號(hào)P,表示本次的數(shù)據(jù)傳輸完成。

　　2 Linux 的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的層次結(jié)構(gòu)

　　因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/I2C設(shè)備">I2C設(shè)備的種類繁多，如果為每一款I2C設(shè)備都編寫(xiě)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，顯然不太現(xiàn)實(shí)也不太可能做到。所以，Linux中是對(duì)I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)采取了層次化處理，分為總線層和設(shè)備層。將I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的一些共同屬性抽象起來(lái)歸結(jié)起來(lái)作為總線層，而將具體I2C設(shè)備特殊操作作為設(shè)備層。在Linux中I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[4,7-8]的關(guān)系如圖2 所示。關(guān)于這部分代碼位于Linux內(nèi)核源碼樹(shù)的/driver/i2c中。

　　理解這層次結(jié)構(gòu)重點(diǎn)是要理解4個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是屬于設(shè)備層的i2c_driver 與i2c_client,屬于總線層的i2c_adapter與i2c_algorithm.下面分別對(duì)這四個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

　　struct i2c_driver:具體的每一個(gè)I2C設(shè)備都應(yīng)該對(duì)應(yīng)著的一個(gè)驅(qū)動(dòng)，這個(gè)結(jié)構(gòu)體里面定義了Linux設(shè)備模型中用于I2C 總線管理的一系列函數(shù)指針和I2C 設(shè)備的信息。其中最重要的兩個(gè)成員是適配器檢測(cè)函數(shù)指針at-tach_adapter,和設(shè)備ID表id_table.

　　struct i2c_client:一個(gè)連接在SDA 和SCL 總線上的具體設(shè)備是由i2c_client結(jié)構(gòu)體描述的，定義了兩個(gè)成員變量表示這個(gè)具體設(shè)備所對(duì)應(yīng)的適配器和驅(qū)動(dòng)。

　　struct i2c_adapter:此結(jié)構(gòu)體表示CPU 里面具體的I2C控制器，本質(zhì)上也是對(duì)應(yīng)著一個(gè)物理設(shè)備，其中最要的成員變量是指向適配器驅(qū)動(dòng)的程序的algo 結(jié)構(gòu)體指針。

　　struct i2c_algorithm:里面定義了具體適配器驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)指針。特別是master_xfer函數(shù)指針，這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了適配器最底層的操作方法，也是I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)中總線層里面要編寫(xiě)的重要函數(shù)。