嵌入式Linux系統(tǒng)中I2C總線設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要： 本文分析了Linux系統(tǒng)中I2C驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)，并以AT91RM9200和X1227為例，介紹了如何在嵌入式Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)I2C總線適配器及I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵詞： Linux；I2C總線；I2C設(shè)備；驅(qū)動(dòng)

引言

I2C總線是PHILIPS公司推出的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，具有簡單、高效等特點(diǎn)。由于其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引腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本，特別適用于嵌入式產(chǎn)品。

而Linux系統(tǒng)具有開源、免費(fèi)、網(wǎng)上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為嵌入式系統(tǒng)的主流選擇。因此如何在嵌入式Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)I2C功能成為實(shí)際開發(fā)中的問題。

I2C總線

I2C 總線通過串行數(shù)據(jù)SDA 和串行時(shí)鐘SCL線在連接到總線的器件間傳遞信息，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功能不同，把器件分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件，通常是微控制器。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)，例如LCD驅(qū)動(dòng)器、E2PROM等。

I2C總線協(xié)議規(guī)定，各主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)都要有起始、結(jié)束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號(hào)。這些信號(hào)都是通信過程中的基本單元。起始信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從高變化到低；停止信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從低變化到高；應(yīng)答信號(hào)是在SCL為高時(shí)SDA為低；非應(yīng)答信號(hào)相反，是在SCL為高時(shí)SDA為高。
總線傳送的每1幀數(shù)據(jù)均是1個(gè)字節(jié)。協(xié)議規(guī)定，在啟動(dòng)總線后的第1個(gè)字節(jié)的高7位是對(duì)從機(jī)的尋址地址，第8位為方向位(“0”表示主機(jī)對(duì)從機(jī)的寫操作；“1”表示主機(jī)對(duì)從機(jī)的讀操作)，其余的字節(jié)為操作數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送過程是：在I2C總線發(fā)送起始信號(hào)后，發(fā)送從機(jī)的7位尋址地址和1位表示這次操作性質(zhì)的讀寫位，在有應(yīng)答信號(hào)后開始傳送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送停止信號(hào)。主機(jī)每發(fā)送1個(gè)字節(jié)就要檢測SDA線上有沒有收到應(yīng)答信號(hào)，有則繼續(xù)發(fā)送，否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

Linux中I2C總線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)對(duì)I2C總線具有很好的支持。與硬件物理連接相對(duì)應(yīng)的，Linux的I2C框架中各個(gè)部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架

內(nèi)核中I2C相關(guān)代碼可以分為三個(gè)層次：
1. I2C core框架：提供了核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和相關(guān)接口函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)I2C適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)、注銷管理，以及I2C通信方法上層的、與具體適配器無關(guān)的代碼，為系統(tǒng)中每個(gè)I2C總線增加相應(yīng)的讀寫方法。

2. I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)：定義描述具體I2C總線適配器的i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)在具體I2C適配器上的I2C總線通信方法，并由i2c_algorithm數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

3. I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)：定義描述具體設(shè)備的i2c_client和可能的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、借助I2C core提供的函數(shù)接口完成設(shè)備在內(nèi)核的注冊(cè)，并實(shí)現(xiàn)具體的功能，包括read, write以及ioctl等對(duì)用戶層操作的接口。

總體而言，Linux中I2C總線的驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)部分：總線驅(qū)動(dòng)(BUS)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)(DEVICE)。I2C core與I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)完成了硬件上的主機(jī)總線驅(qū)動(dòng)(BUS)，而I2C driver則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，I2C core提供的接口是統(tǒng)一的，不需要修改，我們只需要實(shí)現(xiàn)特定I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這樣大大提高了系統(tǒng)的可移植性。

筆者在某個(gè)產(chǎn)品中曾用AT91RM9200和X1227構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊。在該設(shè)計(jì)中，AT91RM9200作為I2C的主機(jī)部分，X1227作為從機(jī)。下面以此為例，具體介紹這兩部分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

AT91RM9200 I2C總線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

AT91RM9200是ARM920T處理器，它提供標(biāo)準(zhǔn)的兩線接口TWI，即I2C接口，主機(jī)工作模式。通過TWI 控制寄存器TWI_CR設(shè)置I2C工作模式和狀態(tài)。時(shí)鐘由寄存器TWI_CWGR中編程值產(chǎn)生。該寄存器定義了TWCK 信號(hào)，使接口適應(yīng)寬范圍時(shí)鐘。

具體在linux中AT91RM9200 I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，首先初始化AT91RM9200 I2C的工作模式，然后裝載I2C總線驅(qū)動(dòng)，這需要兩個(gè)結(jié)構(gòu)模塊來描述：struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm。

初始化i2c_adapter結(jié)構(gòu)成員如下：
static struct i2c_adapter at91rm9200_adapter = {
name:           "AT91RM9200", 
id:             I2C_ALGO_SMBUS, 
algo:           &at91_algorithm, 
algo_data:      NULL, 
inc_use:        at91_inc, 
dec_use:        at91_dec, 
... ...
};

這個(gè)模塊并未提供讀寫函數(shù)，具體的讀寫方法由第二個(gè)模塊struct i2c_algorithm提供。
static struct i2c_algorithm at91_algorithm = {
 name:  "at91 i2c",
 id:  I2C_ALGO_SMBUS,
 smbus_xfer: at91_smbus_xfer,
 master_xfer: at91_xfer,
 functionality: at91_func,
};

通過調(diào)用I2C core中的接口函數(shù)i2c_add_adapter將這兩個(gè)模塊注冊(cè)到操作系統(tǒng)里，總線驅(qū)動(dòng)就算裝上了。由此可見，i2c_algorithm實(shí)現(xiàn)了i2c通信具體方法。針對(duì)本文at91rm9200 I2C適配器， at91_xfer最為關(guān)鍵。分析內(nèi)核可知，I2C core框架中提供給主機(jī)使用的數(shù)據(jù)傳輸接口：i2c_master_send，i2c_master_recv，i2c_transfer最終都是通過調(diào)用at91_xfer實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)傳輸處理如下：數(shù)據(jù)發(fā)送主機(jī)初始化Start狀態(tài)后，向主機(jī)模式寄存器TWI_MMR中DADR發(fā)送一個(gè)7位從機(jī)地址，以通知從機(jī)器件。從機(jī)地址后的位表示傳輸方向(寫或讀)。該位為0，說明是寫操作(發(fā)送操作)；若該位為1，說明為數(shù)據(jù)讀請(qǐng)求( 接收操作)。TWI 傳輸要求從機(jī)每收到一個(gè)字節(jié)后均要給出應(yīng)答。在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖中，主機(jī)釋放數(shù)據(jù)線(HIGH)，將從機(jī)拉低以產(chǎn)生應(yīng)答。主機(jī)在該時(shí)鐘脈沖中輪詢數(shù)據(jù)線，可使用輪詢或中斷方式來檢驗(yàn)狀態(tài)位。若從機(jī)未應(yīng)答該字節(jié)，將置位狀態(tài)寄存器TWI_SR的NAK 位。

寫操作則發(fā)送數(shù)據(jù)至保持寄存器TWI_THR，設(shè)置TWI_CR的START 位以啟動(dòng)傳輸。數(shù)據(jù)在內(nèi)部移位寄存器中移位，當(dāng)檢測到應(yīng)答，TXRDY位置位，直到TWI_THR中有新數(shù)據(jù)寫入，才清除該位。主機(jī)產(chǎn)生STOP 狀態(tài)來結(jié)束傳輸。設(shè)置START 后開始讀序列。當(dāng)狀態(tài)寄存器中RXRDY 位置位時(shí)，接收保持寄存器(TWI_RHR)以收到一個(gè)字符。當(dāng)讀TWI_RHR 時(shí)RXRDY 位復(fù)位。

TWI接口可執(zhí)行多種傳輸格式：7位從機(jī)地址和10位從機(jī)地址。通過主機(jī)模式寄存器TWI_MMR配置三個(gè)內(nèi)部地址字節(jié)。若從機(jī)僅支持7 位地址，IADRSZ 必須置為0。若從機(jī)地址大于7 位，用戶必須配置地址大小IADRSZ 并在內(nèi)部地址寄存器TWI_IADR中設(shè)置其他從機(jī)地址位。

X1227的設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

X1227 是一個(gè)帶有時(shí)鐘、日歷、CPU 監(jiān)控電路和兩路查詢報(bào)警的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘使用一個(gè)低成本的32.768kHz 的晶體作為輸入，可精密地用秒、分鐘、小時(shí)、日期、星期、月、年來顯示時(shí)間，它可以自動(dòng)調(diào)整閏年至2096年。同時(shí)X1227有一個(gè)看門狗定時(shí)器、3個(gè)超時(shí)時(shí)間可供選擇。另外，X1227有一個(gè)4K位的EEPROM陣列，可用作某些用戶配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。下面以X1227為例，說明一個(gè)具體的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

如前所述，I2C總線驅(qū)動(dòng)只是提供了對(duì)一條總線的讀寫機(jī)制，本身并不會(huì)去做通信。通信是由I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)來做的，設(shè)備驅(qū)動(dòng)透過I2C總線同具體的設(shè)備進(jìn)行通訊。一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)模塊來描述，struct i2c_client和struct i2c_driver。i2c_client用來描述一個(gè)具體的I2C設(shè)備，i2c_driver結(jié)構(gòu)提供了i2c_adapter與i2c_client之間的通信方式。

struct i2c_driver x1227_driver = {
 name:  襒1227?
 id:  I2C_DRIVERID_X1227,
 flags:  I2C_DF_NOTIFY,
 attach_adapter: x1227_probe,
 detach_client: x1227_detach,
 command: x1227_command
};

其中：attach_adapter利用適配器驅(qū)動(dòng)提供的I2C總線訪問方法，利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊中提供的地址線索信息，檢測可能存在的設(shè)備及其地址。如果成功發(fā)現(xiàn)設(shè)備，則創(chuàng)建一個(gè)struct i2c_client來標(biāo)識(shí)這個(gè)設(shè)備，并向該適配器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注冊(cè)。detach_client用于從總線上注銷設(shè)備、并釋放i2c_client及相應(yīng)的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。command是用戶接口中的ioctl功能的底層實(shí)現(xiàn)。

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的接口，一個(gè)是對(duì)I2C core框架的接口，設(shè)備初始化時(shí)通過函數(shù)i2c_add_driver調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)。這個(gè)i2c_driver一旦裝入完成，其中的attach_adapter函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。

另一個(gè)是對(duì)用戶應(yīng)用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設(shè)備的接口，包括實(shí)現(xiàn)open，release，read，write以及最重要的ioctl等標(biāo)準(zhǔn)文件操作的接口函數(shù)。每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)稱為file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)接口函數(shù)。

static struct file_operations rtc_fops = {
 owner:  THIS_MODULE,
 ioctl:  x1227_rtc_ioctl,
 open:  x1227_rtc_open,
 release: x1227_rtc_release,
};

其中open和release用來打開和關(guān)閉X1227，x1227_rtc_ioctl則向用戶提供的一系列控制時(shí)鐘芯片的具體命令：RTC_GET_TIME(以固定的數(shù)據(jù)格式讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間)、RTC_SET_TIME(以固定的數(shù)據(jù)格式設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間)以及E2PROM讀寫等。

對(duì)于X1227，一般注冊(cè)為一個(gè)miscdevice設(shè)備(所有miscdevice設(shè)備共同一個(gè)主設(shè)備號(hào)，不同的次設(shè)備號(hào))。

static struct miscdevice x1227_rtc_miscdev = {
 RTC_MINOR,
 tc?
 &rtc_fops
};

初始化時(shí)，通過misc_register (&x1227_rtc_miscdev)注冊(cè)X1227，這樣用戶程序可以通過主設(shè)備號(hào)10 次設(shè)備號(hào) 135的設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/rtc來訪問X1227。

要測試X1227的時(shí)鐘功能，首先把AT91RM9200的I2C總線驅(qū)動(dòng)模塊和X1227模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)先后加載。需要指出的是，Linux將時(shí)鐘分為系統(tǒng)時(shí)鐘和硬件時(shí)鐘兩種。系統(tǒng)時(shí)鐘是指當(dāng)前Linux Kernel中的時(shí)鐘，而硬件時(shí)鐘則是主板上由電池供電的那個(gè)主板硬件時(shí)鐘，也就是本文中的X1227。
在Linux中，用于時(shí)鐘查看和設(shè)置的命令主要有date、hwclock。首先設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘，比如設(shè)置為2006年8月17日12點(diǎn)30分：date 081712302006，然后設(shè)置硬件時(shí)鐘為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間，使用命令/sbin/hwclock 衧ystohc，則X1227中的時(shí)間設(shè)置為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。然后，通常在操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置啟動(dòng)腳本/sbin/hwclock 衕ctosys，利用X1227內(nèi)的時(shí)間更新系統(tǒng)時(shí)鐘，然后直到重啟或關(guān)閉系統(tǒng)，由系統(tǒng)時(shí)鐘來記錄時(shí)間。

結(jié)語

本文介紹了I2C總線適配器及I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)成功用于某網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備的主控模塊上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，便于整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。I2C總線在目前的嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，如音/視頻的控制，存儲(chǔ)設(shè)備的通訊等，而Linux也已成為嵌入式系統(tǒng)的主流。從linux內(nèi)核看，I2C的驅(qū)動(dòng)程序具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，為編程者開發(fā)I2C相關(guān)驅(qū)動(dòng)提供了規(guī)范的框架。

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