ARM-Linux中I2C總線驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

高非非，劉辛國(guó)

（北京建筑工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044）

I2C總線是一種串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)總線，使用數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，它使得電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有使用方便、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，I2C總線被廣泛地應(yīng)用在與RAM、EEPROM、RTC等設(shè)備間的接口電路中。近年來(lái)，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷升溫，Linux憑借源碼開(kāi)放、內(nèi)核穩(wěn)定以及可裁剪性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)。而Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是所有Linux應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是現(xiàn)在Linux開(kāi)發(fā)中的熱門(mén)領(lǐng)域。Linux內(nèi)核已經(jīng)把I2C總線協(xié)議定義為內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的一部分，并形成了一種體系結(jié)構(gòu)。本文正是在研究I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了其在S3C2410中實(shí)現(xiàn)的基本方法。

1 I2C總線

I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)傳輸線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成的二線制串行總線，可構(gòu)成主從和多主系統(tǒng)。I2C總線多采用主從雙向通信，即總線上在某一時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備，總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備。任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)設(shè)備作為主設(shè)備（通常為微控制器），其他每個(gè)I2C器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進(jìn)行通信，它們都有唯一的地址用來(lái)識(shí)別。

I2C總線的時(shí)序圖[1]如圖1所示。

圖1 I2C總線的時(shí)序圖

從圖1可以看到，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中使用了三種信號(hào)[2]。（1）開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)答信號(hào)：從設(shè)備在接收到1 B數(shù)據(jù)后，向主設(shè)備發(fā)出一個(gè)低電平脈沖應(yīng)答信號(hào)，表示已收到數(shù)據(jù)，主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作（I2C總線每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)字節(jié)數(shù)不限制，但是每發(fā)送1 B都要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)）；（3）結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

I2C總線具體的通信工作原理如下：主設(shè)備首先發(fā)出開(kāi)始信號(hào)，接著發(fā)送1 B的數(shù)據(jù)，其由高7 bit地址碼和最低1 bit方向位組成 （方向位表明主設(shè)備與從設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳送方向）。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個(gè)開(kāi)始信號(hào)的到來(lái)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Linux驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與底層硬件之間的接口。在ARM系統(tǒng)中，每個(gè)物理設(shè)備都有自己的控制器，每個(gè)硬件控制器都有自己的控制狀態(tài)寄存器（CSR），并且各不相同。這些寄存器用來(lái)啟動(dòng)、停止、初始化設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷，對(duì)硬件的控制主要是針對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的底層細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)文件，應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中定義的通信接口（write、read和ioctl等）像操作普通文件一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作，簡(jiǎn)化了對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)，使得應(yīng)用程序的編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般有以下功能[3]：對(duì)硬件設(shè)備的初始化、加載和釋放；對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置以及提供對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一操作接口；讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)或回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；檢測(cè)或處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤等。

Linux內(nèi)核將打開(kāi)、關(guān)閉、讀/寫(xiě)和ioctl等所有相關(guān)操作封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體file_operations中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序利用結(jié)構(gòu)體file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。另外還要使用 module_init（）和 module_exit（）兩個(gè)宏。 module_init（）的本質(zhì)是在.initcall.init段使用空間中定義的一個(gè)指向初始化函數(shù)的指針。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)調(diào)用代碼段中設(shè)備初始化函數(shù)，完成初始化硬件和向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 module_exit（）功能與 module_init（）相反。

2.2 I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

直接數(shù)字頻率合成器（DDS）是一種產(chǎn)生模擬波形的方法，其通常是通過(guò)數(shù)字形式的時(shí)間轉(zhuǎn)換信號(hào)再執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生正弦波。因?yàn)镈DS設(shè)備的運(yùn)行基于數(shù)字，所以能夠在輸出頻率、正弦波頻率分解和運(yùn)行于寬頻率頻譜之間相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器，AD9833是可編程的，通過(guò)高速串口外圍接口（SPI），只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡(jiǎn)單的正弦波就可以工作了。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生 0～12.5 MHz的波形[6]。

I2C設(shè)備在Linux下完全可以作為一個(gè)字符設(shè)備，可以根據(jù)需要編寫(xiě)一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持I2C通信。但是由于I2C總線是一種標(biāo)準(zhǔn)總線，在PC和嵌入式系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，Linux專(zhuān)門(mén)為I2C總線定義了I2C驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)[4]，使驅(qū)動(dòng)程序有統(tǒng)一的接口，方便了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，也便于移植。

在Linux系統(tǒng)中，I2C總線驅(qū)動(dòng)體系由I2C核心、總線適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)三部分組成。

（1）I2C 核心

I2C核心即i2c-core.c，是Linux內(nèi)核用來(lái)維護(hù)和管理的I2C總線的核心部分，實(shí)現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動(dòng)的框架。I2C核心為總線提供了統(tǒng)一的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)、注銷(xiāo)及通信等功能。I2C核心是I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的橋梁。

（2）I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)

I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)主要包括了對(duì)應(yīng)具體硬件I2C控制器的I2C總線適配器i2c_adapter以及I2C總線適配器的通信傳輸算法i2c_algorithm以及總線驅(qū)動(dòng)控制適配器通信函數(shù)等，為I2C核心提供了底層支持，是與硬件相關(guān)的。需要注意的是，I2C總線驅(qū)動(dòng)程序只是提供了I2C總線的讀寫(xiě)方法，其本身并不進(jìn)行任何通信，它只是等待設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用其函數(shù)來(lái)對(duì)具體的硬件設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。

（3）I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要包括了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) i2c_driver（用于管理 i2c_client）、i2c_client（掛在I2C總線上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）和需要根據(jù)具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)的成員函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的I2C驅(qū)動(dòng)程序也是一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)i2c-dev.c來(lái)進(jìn)行管理，包括open、release、read、write、ioctl和 lseek 等。

Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架如圖2所示，其反映了I2C總線驅(qū)動(dòng)體系間的關(guān)系。

圖2 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架

3 S3C2410中I2C總線驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

S3C2410處理器集成了I2C總線控制器，支持主、從模式，通過(guò)對(duì)它的 4個(gè)寄存器 I2CCON、I2CSTAT、I2CDS和I2CADD的操作就可以方便地對(duì)I2C總線進(jìn)行控制。此外，S3C2410還為I2C總線提供了一個(gè)中斷號(hào)為27的I2C總線中斷，這樣可以在編寫(xiě)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序時(shí)使用中斷來(lái)完成。

由于I2C核心提供了統(tǒng)一的、不需要修改的接口函數(shù)，因此驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者只需要實(shí)現(xiàn)特定的I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這樣大大提高了嵌入式Linux的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序的移植性[5]。

3.1 I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于S3C2410上的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序，按照I2C驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)與硬件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，首先需要給S3C2410的I2C控制器添加對(duì)應(yīng)的I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)程序，即填充結(jié)構(gòu)體i2c_adapter。其通過(guò)i2c-core中的接口函數(shù)i2c_add_adapter將i2c_adapter和i2c_algorithm注冊(cè)到操作系統(tǒng)中。

再者，實(shí)現(xiàn)S3C2410中I2C適配器的通信方法，主要實(shí)現(xiàn) i2c_algorithm中處理 I2C消息的函數(shù) master_xfer（）。master_xfer（）負(fù)責(zé) S3C2410中I2C控制器的寄存器，用于產(chǎn)生I2C訪問(wèn)周期需要的函數(shù)，以i2c_msg（即I2C消息）為單位，以此控制I2C總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法。另外，函數(shù)需實(shí)現(xiàn)functionality（）函數(shù)，其只返回一個(gè)algorithm所支持的通信傳輸模式，較容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

首先在芯片的總線適配器驅(qū)動(dòng)程序中需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)i2c_driver結(jié)構(gòu)并設(shè)置I2C芯片的初始化和卸載函數(shù)，實(shí) 現(xiàn) i2c_driver中 的 數(shù) 據(jù) 成 員 attach_adapter和detach_client。初始化時(shí)，向系統(tǒng)注冊(cè)一個(gè)I2C字符設(shè)備，接著使用函數(shù)i2c_add_driver（）注冊(cè)一個(gè) I2C驅(qū)動(dòng)管理結(jié)構(gòu)體 i2c_driver，使I2C芯片相應(yīng)結(jié)構(gòu)中的成員attach_adapter執(zhí)行，進(jìn)而調(diào)用I2C核心的 i2c_probe（）遍歷所有的i2c_adapter，當(dāng)?shù)刂穮?shù)與芯片設(shè)備地址一致時(shí)，則會(huì)調(diào)用結(jié)構(gòu)i2c_driver中detach_client成員函數(shù)來(lái)初始化芯片的i2c_client結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)I2C核心提供的i2c_attach_client向I2C總線適配器i2c_adapter來(lái)注冊(cè)該芯片的I2C設(shè)備[6]。I2C總線識(shí)別這個(gè)設(shè)備后就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的i2c_driver驅(qū)動(dòng)該設(shè)備。

在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序訪問(wèn)I2C設(shè)備的結(jié)構(gòu)file_operations接口函數(shù)，包括打開(kāi)、釋放、讀/寫(xiě)和 ioctl等標(biāo)準(zhǔn)文件操作的接口函數(shù)。open（）和release（）這兩個(gè)函數(shù)已經(jīng)在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，read（）和 write（）函數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)和系統(tǒng)內(nèi)核之間相互傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的讀寫(xiě)操作，它們分別調(diào)用了I2C核心的 i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函數(shù)來(lái)構(gòu)造一條I2C消息并在一個(gè)讀寫(xiě)周期內(nèi)進(jìn)行傳輸。ioctl（）函數(shù)則用來(lái)向用戶(hù)提供一些命令以控制具體芯片設(shè)備，因?yàn)椴煌酒瑢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞需要的時(shí)序是不同的，針對(duì)具體的芯片，應(yīng)用程序需要通過(guò)構(gòu)造i2c_rdwr_ioctl_data結(jié)構(gòu)體來(lái)給內(nèi)核傳遞一條或數(shù)條I2C消息，從而實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫(xiě)周期。

I2C總線由于具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)，已在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在介紹了I2C總線和分析了Linux系統(tǒng)下I2C總線的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，以S3C2410為例，給出了在其中編寫(xiě)I2C總線驅(qū)動(dòng)程序的基本開(kāi)發(fā)過(guò)程。

[1]朱瑜亮，黃曉革.數(shù)字溫度傳感器 DS1621在 Linux下的I2C接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（2）：133-136.

[2]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.

[3]BECK M，BOHME H，DZIADZKA M，等.Linux內(nèi)核編程指南[M].張瑜，楊繼萍，等，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]李祥兵，鄭扣根.Linux中I2C總線驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（1）：41-43.

[6]宋寶華.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.