基于嵌入式Linux的ARM/DSP多機I2C通信

引言

　　在很多嵌入式控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)既要完成大量的信息采集和復雜的算法，又要實現(xiàn)精確的控制功能。采用運行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM9微控制器完成信號采集及實現(xiàn)上層控制算法，并向DSP芯片發(fā)送上層算法得到控制參數(shù)，DSP芯片根據(jù)獲得的參數(shù)和下層控制算法實現(xiàn)精確、可靠的閉環(huán)控制。

1　多機系統(tǒng)組成

　　該多機控制系統(tǒng)以ARM9微控制器S3C2440為核心，采用I2C總線掛載多個DSP芯片TMS320F28015作為協(xié)控制器，構成整個控制系統(tǒng)的核心。

1.1　S3C2440及TMS320F28015簡介

　　Samsung公司的處理器S3C2440是內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器內(nèi)核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 KB的指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，最高主頻可達400 MHz。它擁有130個通用I/O、24個外部中斷源以及豐富的外部接口能實現(xiàn)各種功能，包括支持多主功能的I2C總線接口、3路URAT、2路SPI、攝像頭接口等。

　　TMS320F28015（以下簡稱F28015）是TI公司的32位處理器，它具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現(xiàn)復雜的控制算法。片上整合了Flash存儲器、I2C總線模塊、快速的A/D轉換器、增強的CAN總線模塊、事件管理器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設，此種整合能夠方便地實現(xiàn)功能的擴展。同時，快速的中斷響應使它能夠保護關鍵的寄存器并快速（更小的中斷延時）地響應外部異步事件。

1.2　I2C總線接口

　　I2C總線是一種用于IC器件之間連接的串行總線，采用SDA(數(shù)據(jù)線)和SCL（時鐘線）兩線連接每個帶有I2C總線接口的器件或模塊。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸率在標準模式下可達100 kb/s，快速模式下可達400 kb/s。多個微控制器可以通過I2C總線接口非常方便地連接在一起構成系統(tǒng)，并根據(jù)地址識別每個器件。這種總線結構的連線和連接引腳少，器件間總線簡單，結構緊湊。因此其構成系統(tǒng)的成本較低，并且在總線上增加器件不會影響系統(tǒng)的正常工作，所有的I2C總線器件共用一套總線，因此其系統(tǒng)修改和可擴展性好。

　　總線必須由主機(通常為微控制器)控制，主機產(chǎn)生串行時鐘( SCL) 控制總線的數(shù)據(jù)傳輸，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA 線上的數(shù)據(jù)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總線起始和停止時序如圖1所示。

圖1　I2C總線起始和停止時序

1.3　硬件電路

　　S3C2440和F28015自身均集成了I2C總線模塊，支持多主設備I2C總線串行接口，可以方便地掛接到I2C總線上。因此，兩者之間的I2C總線接口電路的設計變得十分簡單，只要將兩者的對應引腳I2C_CLK（對應I2C總線中的SCL線）和I2C_SDA（對應I2C總線中的DATA線）連接起來即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口電路如圖2所示。

圖2　S3C2440和TMS320F28015的硬件接口

　　電路S3C2440的PA55和PA56引腳分別對應I2C_SDA和I2C_CLK，而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分別復用為I2C_SDA和I2C_CLK。考慮到阻抗不匹配等因素會影響總線數(shù)據(jù)傳輸效果，因此在將兩塊芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引腳直連時，在直連線路上各串聯(lián)一個小電阻。

　　I2C_SDA和I2C_CLK是雙向電路，必須都通過一個電流源或上拉電阻連接到正電源電壓上。由于S3C2440和F28015的輸出高電平均為3.3 V，所以在硬件設計時將I2C_SDA和I2C_CLK總線通過上拉電阻連接到了3.3 V的VCC電源上。

2　ARM和DSP通信軟件設計

　　運行Linux操作系統(tǒng)的ARM微控制器作為主控制器，在數(shù)據(jù)管理及多任務調(diào)度等方面有顯著優(yōu)勢，可以很好地組織外圍器件采集的數(shù)據(jù)；主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制，并通過總線設備驅動程序控制I2C總線模塊，通過主機尋址實現(xiàn)向I2C總線上掛載的下層DSP的數(shù)據(jù)收發(fā)。為保證數(shù)據(jù)通信的實時性，F(xiàn)28015通過中斷響應的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

2.1　ARM9平臺的嵌入式Linux的I2C總線驅動設計

2.1.1　I2C總線讀寫時序

　　ARM9微控制器作為主機向從機DSP寫數(shù)據(jù)，首先向從機發(fā)送啟動信號，然后發(fā)送7位從機地址和1位寫標志位，再等待從機的應答信號。在收到應答信號后，主機發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，再次等待應答信號。當主機收到應答信號之后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。之后，主機等待從機的應答信號，如此直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成，主機發(fā)送停止信號。I2C總線寫數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3　I2C總線寫數(shù)據(jù)幀格式

　　主模式下讀數(shù)據(jù)，是指每次從指定的位置讀取一個或多個字節(jié)數(shù)據(jù)。主機首先向從機發(fā)送啟動信號，然后發(fā)送 7位從機地址和1位讀標志位，等待從機應答。當收到從機的應答信號后，主機準備接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收完成后發(fā)送一個應答信號，如此直到數(shù)據(jù)接收完成，主機發(fā)送一個停止信號。圖4為I2C總線讀數(shù)據(jù)幀格式。

圖4　I2C總線讀數(shù)據(jù)幀格式

2.1.2　Linux下I2C總線驅動程序概述

　　Linux系統(tǒng)的I2C總線驅動采用體系化結構設計，包括I2C總線適配器驅動和I2C總線設備驅動?？偩€驅動實現(xiàn)對I2C總線適配器（S3C2440的I2C總線模塊）的控制，設備驅動實現(xiàn)對具體設備（F28015的I2C總線模塊）的讀寫控制。圖5為總體驅動框架，可以分為三個層次：

① I2C框架。內(nèi)核中i2c.h和i2ccore.c為I2C總線框架的主體，提供了核心數(shù)據(jù)結構的定義、I2C總線適配器驅動和設備驅動的注冊、注銷管理、I2C總線通信方法上層的、與具體適配器無關的代碼、檢測設備地址的上層代碼等。i2cdev.c用于創(chuàng)建I2C總線適配器的設備節(jié)點，提供I2C總線設備訪問方法等。

② I2C總線適配器驅動。定義描述具體I2C總線適配器的數(shù)據(jù)結構，實現(xiàn)在具體I2C總線適配器上的I2C總線通信方法。

③ I2C總線設備驅動。定義描述具體設備的數(shù)據(jù)結構，借助I2C總線框架的相關函數(shù)實現(xiàn)設備的注冊，并為用戶提供上層應用程序編程接口。

圖5　總體驅動框架

　　Linux的I2C總線驅動框架中的主要數(shù)據(jù)結構包括: i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter和 i2c_algorithm，它們被定義在內(nèi)核中的i2c. h頭文件中。i2c_adapter對應于物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應一套通信方法，用來為適配器提供通信函數(shù)。i2c_algorithm中的關鍵函數(shù)master_xfer()用于產(chǎn)生I2C總線訪問周期需要的信號，以i2c_msg(即I2C總線消息)為單位。該結構體原型如下：
struct i2c_msg{
_ _u16 addr;/*設備地址*/
_ _u16 flags;/*標志*/
_ _u16 len;/*消息長度*/
_ _u8 *buf;/*消息數(shù)據(jù)*/
};

　　i2c_driver對應一套驅動方法，是用于輔助作用的數(shù)據(jù)結構。i2c_client對應于真實的物理設備，每個I2C總線設備都需要一個i2c_client來描述。i2c_adapter和i2c_client的關系與I2C總線硬件體系中適配器和設備關系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter。

圖6　設備驅動模塊加載流程

　　在Linux內(nèi)核源代碼中drivers目錄下的i2c_dev.c文件，是通用的I2C總線設備驅動文件，為應用程序提供open()、write()、read )、ioctl()和close()等操作接口來訪問設備。應用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C總線設備的存儲空間或寄存器，并控制I2C總線設備的工作方式。

2.1.3　S3C2440的I2C總線驅動及設備驅動

S3C2440內(nèi)部的I2C總線控制器通過4個寄存器實現(xiàn)對通信的控制，分別是I2C控制寄存器（I2CCON）、I2C狀態(tài)寄存器（I2CSTAT）、I2C收發(fā)數(shù)據(jù)移位寄存器（I2CDS）、I2C地址寄存器（I2CADD）。

　　按照Linux中I2C總線框架要求，S3C2440的I2C總線驅動設計主要完成以下工作：設計i2c_adapter_s3c_init()模板加載函數(shù)和對應于i2c_adapter_s3c_exit()模板卸載函數(shù)；設計i2c_adapter_s3c_xfer()模板S3C2440適配器通信方法函數(shù)。

　　i2c_adapter_s3c_init()通過注冊s3c2440_i2c_driver結構體實現(xiàn)總線驅動的平臺注冊，s3c2440_i2c_driver結構體包含了具體適配器的probe()函數(shù)、remove()函數(shù)、resume()函數(shù)指針等信息。代碼如下：
static int _ _init i2c_adap_s3c_init(){
　　int ret;
　　ret=platform_driver_regisiter(s3c2440_i2c_driver);//注冊platform_driver結構體
　　if(ret==0){//注冊失敗
　　　　ret=platform_driver_regisiter(s3c2440_i2c_driver);
　　　　if(ret)
　　　　platform_driver_unregisiter (s3c2440_i2c_driver);
　　}
　　return ret;
}
static struct platform_driver s3c2440_i2c_driver={
　　.probe=s3c24xx_i2c_probe,
　　.remove=s3c24xx_i2c_remove,
　　.resume=s3c24xx_i2c_resume,
　　.driver={
　　　　.owner=THIS MODULE,
　　　　.name=s3c2440i2c,
　　},
} ;

　　完成了S3C2440的I2C總線適配器驅動注冊后，就可以將具體設備驅動注冊到該總線平臺上，實現(xiàn)I2C總線數(shù)據(jù)通信。i2c_dev.c文件是內(nèi)核源碼提供的通用I2C總線設備驅動文件，針對每個I2C總線適配器生成一個主設備號為89的設備文件，設備驅動模塊加載流程如圖6所示。完成加載后，驅動提供i2cdev_read()、i2cdev_write()、i2cdev_ioctl()函數(shù)來對應用戶空間的read()、write()、ioctl()函數(shù)，供用戶使用。用戶通過這些接口函數(shù)實現(xiàn)I2C總線數(shù)據(jù)的讀寫功能。

2.2　DSP數(shù)據(jù)接收中斷程序設計

圖7　I2C總線中斷服務程序流程

　　通過配置F28015的I2C模塊寄存器，設置I2C模塊為從工作方式，同時利用I2C總線中斷響應程序實現(xiàn)對總線上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，進而完成數(shù)據(jù)通信。F28015產(chǎn)生了I2C總線中斷后，就執(zhí)行中斷服務程序，圖7為I2C總線中斷服務程序流程。

　　中斷服務程序通過查詢狀態(tài)寄存器（I2CSTR）標志位，得出中斷類型碼，然后調(diào)用相應的子程序，完成數(shù)據(jù)接收發(fā)送。代碼如下：

interrupt void i2c_int1a_isr(void) {//I2CA的中斷響應函數(shù)
　　Uint16 IntSource;// 讀取中斷碼
　　IntSource=I2caRegs.I2CISRC.bit.INTCODE 0x7;//I2CA中斷源，讀后3位
　　switch(IntSource){//依中斷源而確定相關接收和發(fā)送策略
　　　　case I2C_NO_ISRC://=0
　　　　case I2C_ARB_ISRC://=1
　　　　case I2C_NACK_ISRC: //=2
　　　　case I2C_ARDY_ISRC: //=3
　　　　case I2C_SCD_ISRC://=6
　　　　case I2C_AAS_ISRC://=7
　　　　　　break;
　　　　case I2C_RX_ISRC://=4，接收數(shù)據(jù)已準備好
　　　　　　DataReceive();//調(diào)用數(shù)據(jù)接收子函數(shù)接收數(shù)據(jù)
　　　　　　break;
　　　　case I2C_TX_ISRC://=5，發(fā)送數(shù)據(jù)已準備好
　　　　　　DataTransmit();//調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子函數(shù)接收數(shù)據(jù)
　　　　　　break;
　　　　default:
　　　　　　asm(ESTOP0); //無效數(shù)據(jù)，則停止
　　}
　　PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;
}

　　F28015中的數(shù)據(jù)接收子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序是在I2C總線的中斷服務程序中根據(jù)不同的狀態(tài)碼進行調(diào)用，它們是整個通信程序的核心部分。數(shù)據(jù)接收子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序的流程如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)接收和發(fā)送子程序

3　測試結果

　　通過NFS文件系統(tǒng)將編譯成模塊的I2C的總線驅動和設備驅動加載到運行Linux操作系統(tǒng)的S3C2440平臺上（先加載總線驅動），再將F28015的測試程序燒寫到RAM中。運行F28015等待I2C總線上的數(shù)據(jù)，再執(zhí)行Linux系統(tǒng)中的I2C總線測試程序。測試結果顯示，芯片通過I2C總線接口完成了數(shù)據(jù)通信，具有良好的實時性和可靠性。

4　結論

　　該設計利用I2C總線實現(xiàn)了ARM9微控制器與DSP芯片間實時可靠的數(shù)據(jù)通信。ARM9微控制器結合Linux操作系統(tǒng)作為上層控制核心，DSP芯片實現(xiàn)下層控制算法，可充分發(fā)揮ARM9微控制器在數(shù)據(jù)采集和任務管理等方面的優(yōu)勢以及DSP芯片在算法實現(xiàn)和底層控制的長處。