Windows下I2C總線的GPIO模擬

鄒應(yīng)雙

摘要：簡(jiǎn)要介紹了I2C總線操作和基于Windows內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)的用戶態(tài)I/O端口訪問，分析了Windows平臺(tái)下GPIO管腳模擬I2C總線的可行性，講解了編程實(shí)現(xiàn)過程，連接I2C接口的安全芯片進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：I2C總線；GPIO管腳；Windows；內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）01-0100-04

Abstract： I2C bus operations and user-mode I/O port access using Windows kernel mode driver are briefly introduced in this paper. And a feasibility analysis on simulating I2C bus with GPIO pins under Windows is made. Then we do a programming impelmentation to the simulating method， and verify the software by accessing an I2C-interfaced security chip.

Key words： I2C bus； GPIO pins； Windows； kernel mode driver

1 背景

I2C總線是Philips公司推出的兩線式串行總線，用于嵌入式系統(tǒng)連接各種低速外圍設(shè)備，如RTC、EEPROM、傳感器、安全芯片等。許多單片機(jī)、嵌入式芯片等都帶有I2C主控器，其采用的操作系統(tǒng)如嵌入式Linux等均帶有I2C驅(qū)動(dòng)程序，編程中可直接使用。對(duì)于不含I2C主控器的芯片，為了滿足定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，一般也有大量的GPIO管腳，可用于軟件模擬I2C總線。

Intel公司的X86系列CPU和配套的橋接芯片，除了用于桌面PC，還廣泛用于網(wǎng)關(guān)、收銀、視頻等各種嵌入式服務(wù)器。這類服務(wù)器一般采用Windows Server操作系統(tǒng)，不帶有I2C主控器或不提供I2C驅(qū)動(dòng)程序。為了實(shí)現(xiàn)軟件授權(quán)和保護(hù)，這類嵌入式服務(wù)器首先會(huì)選擇管腳少、性價(jià)比高的I2C接口的安全芯片。為了滿足這種需求，一種方法是采用USB轉(zhuǎn)I2C的專用芯片，但這將增加硬件成本和軟件復(fù)雜度。

基于I2C總線的簡(jiǎn)單性，可選用橋接芯片的GPIO管腳來模擬I2C主控器。GPIO管腳通過X86的I/O指令即可完全控制；但普通應(yīng)用程序在Windows下無法直接訪問I/O端口，可通過內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。在Windows平臺(tái)下通過GPIO管腳模擬I2C總線，將是一種簡(jiǎn)單有效、低成本的解決方法。本文就這個(gè)模擬過程進(jìn)行探討。

2 I2C總線的讀寫

I2C總線通過時(shí)鐘和數(shù)據(jù)兩根線即可實(shí)現(xiàn)完善的同步數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)，另一個(gè)設(shè)備作為從機(jī)。主設(shè)備為數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。I2C通訊協(xié)議要求在時(shí)鐘線（SCL， Serial Clock Line）處于低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線（SDA， Serial Data Line）才能變化。協(xié)議中每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)地址，會(huì)一直監(jiān)視總線上的主設(shè)備要初始化數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)出的地址并匹配。

總線的工作流程如下：

空閑：當(dāng)總線上沒有數(shù)據(jù)通訊發(fā)生時(shí)，SCL和SDA通過上拉電阻呈高電平。

開始：SCL為高時(shí)，SDA由高變低，這時(shí)數(shù)據(jù)傳輸開始。

地址：主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含7位的從設(shè)備地址和1位的讀寫位（表明數(shù)據(jù)流的方向）。發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，從設(shè)備會(huì)發(fā)送一位的認(rèn)可位（ACK）。

數(shù)據(jù)：根據(jù)方向位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸。數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，高位在前。接收器上用一位的ACK表明一個(gè)字節(jié)收到了。傳輸可被終止或重新開始。

停止：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由低變高，這時(shí)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，總線重新進(jìn)入空閑狀態(tài)。

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)I2C總線的傳輸速率是100KHz，通過線與邏輯實(shí)現(xiàn)慢速設(shè)備等待。I2C總線的這些特性允許主設(shè)備的功能通過兩個(gè)GPIO管腳模擬而實(shí)現(xiàn)。

3 Windows下的I/O端口訪問

端口I/O指令允許X86 CPU與系統(tǒng)中的其他硬件設(shè)備通信。對(duì)于硬件設(shè)備的低層次直接控制，C函數(shù)_inp（）和_outp（）（用X86處理器的IN和OUT指令實(shí)現(xiàn)）允許從端口讀入或向一個(gè)端口寫。但在Windows應(yīng)用程序中插入_inp（）或者_(dá)outp（），將導(dǎo)致特權(quán)指令異常消息，并給出終止或調(diào)試出錯(cuò)應(yīng)用程序的選擇。Windows的體系結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用程序不能直接通過IN和OUT指令訪問硬件。否則，應(yīng)用程序可以關(guān)閉中斷、破壞顯示或驅(qū)動(dòng)器等硬件設(shè)備，危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，通過內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序間接訪問I/O端口是Windows下訪問硬件資源的唯一途徑。

實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C主控器的模擬，只需要簡(jiǎn)單的I/O訪問即可實(shí)現(xiàn)。如果編寫完整的內(nèi)核模式的I2C驅(qū)動(dòng)程序，將涉及復(fù)雜的、花費(fèi)大量時(shí)間的Windows內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和調(diào)試工作。編寫最簡(jiǎn)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)I/O端口訪問，封裝好用戶態(tài)訪問的接口，將I2C實(shí)現(xiàn)代碼放在用戶態(tài)，將極大地簡(jiǎn)化開發(fā)工作，同時(shí)增加二次開發(fā)利用的靈活性。

這樣通過內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)I/O訪問的副作用是每一次I/O操作都要通過Windows的I/O子系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求，需要花費(fèi)數(shù)千個(gè)時(shí)鐘周期。但這個(gè)時(shí)間成本和100KHz的慢速I2C的一個(gè)位周期相當(dāng)，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量不大的應(yīng)用，在性能上可接受。

4 編程實(shí)現(xiàn)

本文的目標(biāo)硬件平臺(tái)為Intel Core i3-4330 CPU、Intel DH82H81橋接芯片、Maxim DS28C22安全芯片。橋片和安全芯片的連接如圖2所示。

本文的目標(biāo)軟件平臺(tái)是64位的Windows Server 2008，開發(fā)平臺(tái)是Windows 10 專業(yè)版，選用WDK（Windows Driver Kit） 7.1和Visual Studio 2015專業(yè)版。通過查詢方式實(shí)現(xiàn)I2C讀寫，驅(qū)動(dòng)層提供I/O端口訪問功能，pioctl.dll庫(kù)封裝驅(qū)動(dòng)成類似于IN/OUT指令的接口，i2c.dll實(shí)現(xiàn)I2C讀寫函數(shù)，提供給上層做應(yīng)用開發(fā)。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

下面按自底向上的順序簡(jiǎn)單介紹各層次的實(shí)現(xiàn)源碼。

4.1 內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)

和Linux驅(qū)動(dòng)的開發(fā)相比，Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)的門檻要高一些，首先需安裝WDK，了解其中的核心態(tài)函數(shù)，熟悉WDM、WDF等驅(qū)動(dòng)程序框架。

WDK中提供了大量的樣例驅(qū)動(dòng)供驅(qū)動(dòng)開發(fā)者參考。考慮到我們的驅(qū)動(dòng)只需提供X86的IN和OUT指令的訪問接口，特選擇WDK樣例中源碼最簡(jiǎn)單的src/general/ioctl/wdm為基礎(chǔ)，命名為pioctl，并對(duì)驅(qū)動(dòng)源碼中的函數(shù)名等做適當(dāng)重命名，添加上I/O端口訪問的代碼，即實(shí)現(xiàn)了本驅(qū)動(dòng)。這個(gè)開發(fā)過程不需要對(duì)Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)有較深入的了解。

本驅(qū)動(dòng)程序的驅(qū)動(dòng)加載和卸載、設(shè)備打開和關(guān)閉等例程無新加代碼，不是本文的重點(diǎn)，下面僅對(duì)I/O端口操作相關(guān)的代碼做說明。

NTSTATUS PioctlDeviceControl（PDEVICE_OBJECT DeviceObject， PIRP Irp）

{

PIO_STACK_LOCATION irpSp；

NTSTATUS ntStatus = STATUS_SUCCESS；

ULONG inBufLength， outBufLength；

ULONG dataBufSize；

PULONG pIOBuffer；

ULONG nPort；

irpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation（Irp）；

inBufLength = irpSp->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength；

outBufLength = irpSp->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength；

switch （irpSp->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode）

{ // 檢查用戶態(tài)參數(shù)

case IOCTL_PIOCTL_WRITE_PORT_ULONG：

dataBufSize = sizeof（ULONG）；

if （inBufLength < （sizeof（ULONG） + dataBufSize）） {

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

break；

case IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG：

dataBufSize = sizeof（ULONG）；

if （inBufLength ！= sizeof（ULONG） || outBufLength < dataBufSize） {

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

break；

default：

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

pIOBuffer = （PULONG）Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer；

nPort = *pIOBuffer； // I/O端口號(hào)

switch （ irpSp->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode ）

{ // 判定I/O控制碼

case IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG： // IND

*（PULONG）pIOBuffer = READ_PORT_ULONG（（PULONG）（（ULONG_PTR）nPort））；

pIrp->IoStatus.Information = dataBufSize； // 讀取的字節(jié)數(shù)

break；

case IOCTL_PIOCTL_WRITE_PORT_ULONG： // OUTD

pIOBuffer++；

WRITE_PORT_ULONG（（PULONG）（（ULONG_PTR）nPort）， *（PULONG）pIOBuffer）；

Irp->IoStatus.Information = dataBufSize； // 寫的字節(jié)數(shù)

break；

default：

Irp->IoStatus.Information = 0；

ntStatus = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST；

break；

}

End：

Irp->IoStatus.Status = ntStatus；

IoCompleteRequest（Irp， IO_NO_INCREMENT）；

return ntStatus；

}

4.2 用戶態(tài)I/O端口讀寫接口

為了應(yīng)用程序的開發(fā)方便，實(shí)現(xiàn)了pioctl.dll庫(kù)，以負(fù)責(zé)自動(dòng)動(dòng)態(tài)加載卸載驅(qū)動(dòng)程序、提供I/O端口的用戶態(tài)訪問接口。

1）DLL入口函數(shù)

BOOL APIENTRY DllMain（HMODULE hModule， DWORD ul_reason_for_call， LPVOID）

{

switch （ul_reason_for_call）

{

case DLL_PROCESS_ATTACH：

if （pioctl_init（） < 0） // 利用SCM函數(shù)加載驅(qū)動(dòng)； 打開設(shè)備文件

return FALSE；

break；

case DLL_PROCESS_DETACH：

pioctl_deinit（）； // 關(guān)閉設(shè)備文件； 利用SCM函數(shù)卸載驅(qū)動(dòng)

break；

}

return TRUE；

}

2）端口訪問函數(shù)

PIOCTL_API unsigned long pioctl_inpd（unsigned short port）

{

ULONG PortNumber = （ULONG）port；

ULONG Data；

ULONG bytesReturned；

BOOL bRc；

bRc = DeviceIoControl（s_hDevice， （DWORD）IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG，

&PortNumber， sizeof（PortNumber）， &Data， sizeof（Data）， &bytesReturned， NULL）；

if （！bRc） {

fprintf（stderr， "Error in DeviceIoControl ： %d＼n"， GetLastError（））；

return -1；

}

return Data；

}

pioctl_outpd（）類似，不再列舉出。

4.3 I2C讀寫函數(shù)

本文采用查詢方式實(shí)現(xiàn)I2C讀寫函數(shù)。硬件上用DH82H81的GPIO8模擬SCL、GPIO15模擬SDA，封裝成i2c.dll庫(kù)。這兩個(gè)管腳為專用GPIO腳，通過GP_IO_SEL和GP_LVL兩個(gè)端口即可控制其I/O方向和電平值。下面以I2C操作中的啟動(dòng)和發(fā)送字節(jié)為例，講解其實(shí)現(xiàn)。其他操作的實(shí)現(xiàn)過程類似，不再贅述。

1）初始化函數(shù)

#define SCL GPIO8

#define SDA GPIO15

void i2c_init（void）

{

gpioDir = pioctl_inpd（GP_IO_SEL） & ～（（1 << SCL） | （1 << SDA））； // 0：OUTPUT

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）； // 設(shè)置GPIOs的I/O方向

gpioVal = pioctl_inpd（GP_LVL） | （（1 << SCL） | （1 << SDA））；

pioctl_outpd（GP_LVL， gpioVal）； // 設(shè)置GPIOs的電平

}

2）端口的位操作函數(shù)

int gpio_in（int gpio_num）

{ // 讀取GPIOs輸入腳

if （（gpioDir & （1<

gpioDir |= （1<

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）；

}

return （pioctl_inpd（GP_LVL） & （1<

}

void gpio_out（int gpio_num， int level）

{ // 寫GPIOs輸出腳

if （ gpioDir & （1<

gpioDir &= ～（1<

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）；

}

gpioVal = pioctl_inpd（GP_LVL） & ～（1<

if （level）

gpioVal |= 1<

pioctl_outpd（GP_LVL， gpioVal）； // 設(shè)置GPIO的電平

}

3）I2C讀寫函數(shù)

#define i2c_scl（level） gpio_out（SCL， level）

#define i2c_sda（level） gpio_out（SDA， level）

#define i2c_sda_in（） gpio_in（SDA）

void i2c_start（void）

{ // 當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA發(fā)生由高到低的跳變

i2c_scl（1）；

i2c_sda（0）；

i2c_scl（0）；

}

int i2c_send_data（unsigned char octet）

{ // 發(fā)送一個(gè)字節(jié)

int i， ack；

for（i=0x80； i>0； i>>=1） {

i2c_sda（octet & i ？ 1 ： 0）；

i2c_scl（1）；

i2c_scl（0）；

}

i2c_sda（1）； // 發(fā)送器件釋放SDA線

i2c_scl（1）；

ack = i2c_sda_in（）； // 讀取低電平有效的ACK位

scl（0）； // 實(shí)現(xiàn)了了ACK

return （ack）； // 返回ACK位

}

4.4 驅(qū)動(dòng)加載和調(diào)試

由于目標(biāo)軟件平臺(tái)為64位系統(tǒng)，pioctl.sys驅(qū)動(dòng)相應(yīng)編譯成64位，需要禁用Windows Server 2008的數(shù)字簽名，編譯的驅(qū)動(dòng)才能加載。

在pioctl.sys驅(qū)動(dòng)中通過KdPrint（）宏輸出調(diào)試信息，通過WinDbg工具捕獲調(diào)試信息，以和printf函數(shù)類似的方式調(diào)試代碼。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于GPIO管腳的I2C操作模擬方法，在圖2所示的采用Windows Server 2008的目標(biāo)平臺(tái)上做測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了和D28C22安全芯片的可靠通信，驗(yàn)證了本方法的正確性。該方法的原理可供類似的采用Intel X86方案的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考，以有效節(jié)省采用轉(zhuǎn)接芯片的成本、降低軟件開發(fā)的難度。

這種用戶態(tài)I/O端口訪問的硬件模擬，花費(fèi)較高的CPU時(shí)間成本，對(duì)于高速的簡(jiǎn)單I/O設(shè)備訪問，有較大的局限性。但基于本方法，可在用戶態(tài)將硬件操作代碼調(diào)試好，再直接封裝到內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序中，將極大地降低開發(fā)特定Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)的難度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田磊， 宋圓方. 基于Windows CE的IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)， 2008（1）： 126-128.

[2] 蔡純潔， 邢武. PIC 16/17 單片機(jī)原理與實(shí)現(xiàn)[M]. 合肥： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 1997.

[3] 保拉?湯姆林森. Windows NT/2000編程實(shí)踐[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社， 2001.

[4] 張佩， 馬勇， 董鑒源. 竹林蹊徑——深入淺出Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2011.