Linux下I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的一種適配器層直接實(shí)現(xiàn)方法

楊文鉑，邢鵬康

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽(yáng) 473000）

1 概 述

I2C總線作為一種接口標(biāo)準(zhǔn)最早由Philips公司提出，因其優(yōu)良的性能在電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在嵌入式Linux系統(tǒng)下，標(biāo)準(zhǔn)的I2C驅(qū)動(dòng)為分層架構(gòu)，由上至下依次是設(shè)備層、核心層和適配器層。這種多層架構(gòu)有效滿足了Linux下多設(shè)備、多任務(wù)并行工作的要求，但同時(shí)也使I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)變得非常復(fù)雜。本文探討了一種在I2C設(shè)備串行工作的情況下，直接在適配器層實(shí)現(xiàn)的I2C驅(qū)動(dòng)方法，這將有效簡(jiǎn)化Linux下I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。這里基于ARM9的S3C2440芯片和2.6.30核心的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行分析。

2 I 2C總線及時(shí)序

I2C設(shè)備分為主機(jī)及從機(jī)。主機(jī)即主控芯片內(nèi)的I2C適配器，它完成基本的時(shí)序控制功能，如起始、傳輸數(shù)據(jù)、停止等。從機(jī)即外圍I2C芯片，它是被主機(jī)尋址的器件，接收主機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。按數(shù)據(jù)流的方向又可將I2C設(shè)備分為發(fā)送器或接收器。常用的數(shù)據(jù)傳輸模式主要有兩種：主機(jī)發(fā)送模式，此時(shí)主機(jī)為發(fā)送器，從機(jī)為接收器；主機(jī)接收模式，此時(shí)主機(jī)為接收器，從機(jī)為發(fā)送器。一個(gè)設(shè)備是發(fā)送器還是接收器，取決于實(shí)際數(shù)據(jù)流的方向。一個(gè)完整的主機(jī)讀或?qū)戇^(guò)程稱為一個(gè)消息，每一個(gè)消息都必須有一個(gè)起始信號(hào)（S）來(lái)指示其開(kāi)始，起始信號(hào)由主機(jī)發(fā)出。在SCL線是高電平時(shí)SDA線從高電平向低電平切換，這個(gè)情況表示起始條件。如果一個(gè)I2C通信過(guò)程是主機(jī)多個(gè)讀寫(xiě)過(guò)程的組合，則要有多個(gè)消息，需重復(fù)發(fā)出起始信號(hào)。在每個(gè)消息中，主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后都要接著發(fā)送從機(jī)地址字節(jié)，這個(gè)字節(jié)前7位代表從設(shè)備物理地址，最低位R／W決定了數(shù)據(jù)流的方向，如果是0，表示主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)到從機(jī)，1表示主機(jī)向從機(jī)讀。發(fā)送到SDA總線上的數(shù)據(jù)必須是8位，但是每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)不受限制。數(shù)據(jù)傳輸必須帶應(yīng)答（ACK），應(yīng)答脈沖由接收器產(chǎn)生，在應(yīng)答的時(shí)鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放SDA線。通常被尋址的接收器在接收到每個(gè)字節(jié)后，必須產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答，才能正常通信。最后，需要由主機(jī)發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)，結(jié)束整個(gè)通信過(guò)程，使總線回到空閑狀態(tài)，當(dāng)SCL是高電平時(shí)SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件?；綢2C總線時(shí)序如圖1所示。

圖1 基本I 2 C總線時(shí)序

3 主機(jī)適配器及基本I 2C時(shí)序的實(shí)現(xiàn)

3.1 S3C2440的I 2C適配器

S3C2440中I2C適配器中的寄存器主要有IICDS、ICSTAT、IICCON、IICADD等。IICDS寄存器為一個(gè)8位的移位寄存器，待發(fā)的數(shù)據(jù)先送至此寄存器，在起始信號(hào)發(fā)出后，將數(shù)據(jù)逐位發(fā)送到SDA總線上。

IICSTAT為狀態(tài)寄存器，主要實(shí)現(xiàn)I2C總線的信號(hào)發(fā)生功能，如下所示。其中第6、7位是模式選擇位，可決定4種模式，分別是主機(jī)發(fā)送、主機(jī)接收、從機(jī)發(fā)送、從機(jī)接收等。第5位是一個(gè)讀寫(xiě)位，在讀時(shí)如果為0表明總線空閑，如果為1表明總線正忙。如果向其寫(xiě)1，則主機(jī)將會(huì)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，如果向其寫(xiě)0，則主機(jī)將發(fā)送停止信號(hào)。

模式選擇忙、停止、起始狀態(tài)輸出允許 仲裁位 從片地址狀態(tài)地址零狀態(tài)最后接收位7∶6 5 4 3 2 1 0

IICCON為一個(gè)8位寄存器，主要實(shí)現(xiàn)I2C總線的一些配置功能，如下所示。應(yīng)答設(shè)置位控制是否應(yīng)答，低4位和第6位共同決定了發(fā)送時(shí)鐘的頻率。

應(yīng)答設(shè)置發(fā)送時(shí)鐘源選擇發(fā)送／接收中斷中斷掛起標(biāo)志傳輸時(shí)鐘選擇7 6 5 4 3∶0

3.2 I 2C基本時(shí)序的實(shí)現(xiàn)

I2C的時(shí)序及操作模式都可通過(guò)配置主機(jī)適配器的方式實(shí)現(xiàn)，I2C的基本時(shí)序包括起始信號(hào)、從機(jī)地址、發(fā)送數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)、應(yīng)答信號(hào)、停止信號(hào)等。操作模式主要包括主機(jī)讀、主機(jī)寫(xiě)、從機(jī)讀、從機(jī)寫(xiě)等。以此為基礎(chǔ)，可以通過(guò)在總線上組合傳輸起始信號(hào)、地址信號(hào)、停止信號(hào)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的I2C通信功能。

操作模式：通過(guò)寫(xiě)IICSTAT寄存器的高兩位操作設(shè)置。

起始信號(hào)：向IICSTAT寄存器的第5位寫(xiě)1后，將會(huì)在總線上發(fā)出一個(gè)起始信號(hào)。

從機(jī)地址：這個(gè)從機(jī)地址需要在發(fā)起始信號(hào)前寫(xiě)入移位寄存器IICADD中去。IICADD物理地址為0x54000008，8位，高7位保存地址，最低位R／W為讀寫(xiě)控制位。

應(yīng)答信號(hào)：由接收器在接到發(fā)送器發(fā)送的地址或有效數(shù)據(jù)后發(fā)出，如果接收器配置為允許應(yīng)答，則收到數(shù)據(jù)后將自動(dòng)應(yīng)答，應(yīng)答設(shè)置位在IICCON的最高位，寫(xiě)1為允許應(yīng)答，寫(xiě)0為禁止應(yīng)答。

主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：待發(fā)送的數(shù)據(jù)需事先寫(xiě)入IICDS寄存器中，當(dāng)發(fā)送條件滿足后（起始信號(hào)發(fā)出，或TX／RX中斷標(biāo)志位清除后等），IICDS中的數(shù)據(jù)將自動(dòng)移位發(fā)送。

主機(jī)接收數(shù)據(jù)：在收到總線上的一字節(jié)數(shù)據(jù)后，將存儲(chǔ)于IICDS中。主機(jī)可通過(guò)查詢IICCON中的中斷標(biāo)志位來(lái)確定是否接收成功一個(gè)字節(jié)。如果主機(jī)不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，則從機(jī)將一直處于等待狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收完畢后如果不清除中斷掛起位，I2C通信將進(jìn)入暫停狀態(tài)。

停止信號(hào)：停止信號(hào)的發(fā)出由IICSTAT寄存器的第5位清零來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 Linux下在適配器層中驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

下文結(jié)合LM75傳感器采集溫度的例子具體說(shuō)明這種方法在Linux下的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

4.1 LM75傳感器簡(jiǎn)介

LM75為支持I2C協(xié)議的數(shù)字式溫度傳感器，可多達(dá)8個(gè)傳感器共享一根總線，可在環(huán)境超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)通知主控制器，測(cè)溫精度為0.5℃，轉(zhuǎn)換后的溫度值用2字節(jié)保存。LM75的溫度字節(jié)讀取時(shí)序如圖2所示。

4.2 LM75的適配器層驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

可以在Linux底層驅(qū)動(dòng)中對(duì)I2C寄存器組進(jìn)行直接操作，根據(jù)LM75的時(shí)序要求組合I2C基本時(shí)序，實(shí)現(xiàn)LM75的模式設(shè)置及溫度采集功能，程序流程如圖3所示。

以下是在適配器層的部分驅(qū)動(dòng)函數(shù)代碼：

圖2 LM75的溫度字節(jié)讀取時(shí)序

圖3 LM75時(shí)序的底層實(shí)現(xiàn)流程

4.3 適配器層與應(yīng)用層接口

在驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成后還要在適配器層填充一個(gè)file＿operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由于用戶空間不能直接調(diào)用適配器層中的函數(shù)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)需要映射為應(yīng)用層的函數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供了驅(qū)動(dòng)層函數(shù)在應(yīng)用層的函數(shù)接口。

適配器層驅(qū)動(dòng)函數(shù)iic＿LM75＿read被映射為應(yīng)用層的接口函數(shù)read，以為應(yīng)用層所調(diào)用。按上述方法構(gòu)建的I2C驅(qū)動(dòng)在Linux下以普通設(shè)備驅(qū)動(dòng)的形式加載，在加載的過(guò)程執(zhí)行初始化操作，通過(guò) MKDEV（）函數(shù)創(chuàng)建主設(shè)備節(jié)點(diǎn)并分配設(shè)備號(hào)，通過(guò)I2C＿setup＿dev（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)層到應(yīng)用層函數(shù)的映射。在應(yīng)用層調(diào)用適配器層驅(qū)動(dòng)時(shí)，須首先用open（）函數(shù)打開(kāi)dev中的主設(shè)備，在open過(guò)程中配置各個(gè)I2C功能寄存器，配置輸入／輸出端口，完成后，將獲得一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)fd，以此節(jié)點(diǎn)作為驅(qū)動(dòng)接口的設(shè)備參數(shù)傳入，便可調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

5 小 結(jié)

實(shí)踐證明，在嵌入式Linux環(huán)境下，適配器層直接實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方法，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性高，占用資源少，對(duì)不同設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)，可有效提高I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的效率。

［1］I2C 總線規(guī)范［OL］.［2011－01］.www.zlgmcu.com／download／down.asp？ID＝780.

［2］Samsung Electronics.S3C2440 32－BIT CMOS Microcontroller User's Manual Revision 1，2004.

［3］安森美半導(dǎo)體.LM75－2線串行溫度傳感器和監(jiān)視器，2006.

［4］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah－Hartman.Linux Device Drivers［M］.3rd Edition.O'Reilly，2005.

［5］李俊.嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2008.