嵌入式Linux系統中I2C總線(xiàn)設備的驅動(dòng)設計

摘要： 本文分析了Linux系統中I2C驅動(dòng)程序的結構，并以AT91RM9200和X1227為例，介紹了如何在嵌入式Linux系統中實(shí)現I2C總線(xiàn)適配器及I2C設備驅動(dòng)。

關(guān)鍵詞： Linux；I2C總線(xiàn)；I2C設備；驅動(dòng)

引言

I2C總線(xiàn)是PHILIPS公司推出的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備，具有簡(jiǎn)單、高效等特點(diǎn)。由于其接口直接在組件之上，因此I2C總線(xiàn)占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片引腳的數量，降低了互聯(lián)成本，特別適用于嵌入式產(chǎn)品。

而Linux系統具有開(kāi)源、免費、網(wǎng)上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為嵌入式系統的主流選擇。因此如何在嵌入式Linux系統中實(shí)現I2C功能成為實(shí)際開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題。

I2C總線(xiàn)

I2C 總線(xiàn)通過(guò)串行數據SDA 和串行時(shí)鐘SCL線(xiàn)在連接到總線(xiàn)的器件間傳遞信息，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識別。根據數據傳輸時(shí)的功能不同，把器件分為主機和從機。主機是初始化總線(xiàn)的數據傳輸并產(chǎn)生允許傳輸的時(shí)鐘信號的器件，通常是微控制器。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認為是從機，例如LCD驅動(dòng)器、E2PROM等。

I2C總線(xiàn)協(xié)議規定，各主機進(jìn)行通信時(shí)都要有起始、結束、發(fā)送數據和應答信號。這些信號都是通信過(guò)程中的基本單元。起始信號就是在SCL線(xiàn)為高時(shí)SDA線(xiàn)從高變化到低；停止信號就是在SCL線(xiàn)為高時(shí)SDA線(xiàn)從低變化到高；應答信號是在SCL為高時(shí)SDA為低；非應答信號相反，是在SCL為高時(shí)SDA為高。
總線(xiàn)傳送的每1幀數據均是1個(gè)字節。協(xié)議規定，在啟動(dòng)總線(xiàn)后的第1個(gè)字節的高7位是對從機的尋址地址，第8位為方向位(“0”表示主機對從機的寫(xiě)操作；“1”表示主機對從機的讀操作)，其余的字節為操作數據。數據傳送過(guò)程是：在I2C總線(xiàn)發(fā)送起始信號后，發(fā)送從機的7位尋址地址和1位表示這次操作性質(zhì)的讀寫(xiě)位，在有應答信號后開(kāi)始傳送數據，直到發(fā)送停止信號。主機每發(fā)送1個(gè)字節就要檢測SDA線(xiàn)上有沒(méi)有收到應答信號，有則繼續發(fā)送，否則將停止發(fā)送數據。

Linux中I2C總線(xiàn)驅動(dòng)結構

Linux系統對I2C總線(xiàn)具有很好的支持。與硬件物理連接相對應的，Linux的I2C框架中各個(gè)部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Linux內核I2C總線(xiàn)驅動(dòng)程序構架

內核中I2C相關(guān)代碼可以分為三個(gè)層次：
1. I2C core框架：提供了核心數據結構的定義和相關(guān)接口函數，用來(lái)實(shí)現I2C適配器驅動(dòng)和設備驅動(dòng)的注冊、注銷(xiāo)管理，以及I2C通信方法上層的、與具體適配器無(wú)關(guān)的代碼，為系統中每個(gè)I2C總線(xiàn)增加相應的讀寫(xiě)方法。

2. I2C總線(xiàn)適配器驅動(dòng)：定義描述具體I2C總線(xiàn)適配器的i2c_adapter數據結構、實(shí)現在具體I2C適配器上的I2C總線(xiàn)通信方法，并由i2c_algorithm數據結構進(jìn)行描述。

3. I2C 設備驅動(dòng)：定義描述具體設備的i2c_client和可能的私有數據結構、借助I2C core提供的函數接口完成設備在內核的注冊，并實(shí)現具體的功能，包括read, write以及ioctl等對用戶(hù)層操作的接口。

總體而言，Linux中I2C總線(xiàn)的驅動(dòng)分為兩個(gè)部分：總線(xiàn)驅動(dòng)(BUS)和設備驅動(dòng)(DEVICE)。I2C core與I2C總線(xiàn)適配器驅動(dòng)完成了硬件上的主機總線(xiàn)驅動(dòng)(BUS)，而I2C driver則實(shí)現了從機設備驅動(dòng)。在設計中，I2C core提供的接口是統一的，不需要修改，我們只需要實(shí)現特定I2C總線(xiàn)適配器驅動(dòng)和I2C設備驅動(dòng)，這樣大大提高了系統的可移植性。

筆者在某個(gè)產(chǎn)品中曾用AT91RM9200和X1227構成嵌入式系統的時(shí)鐘模塊。在該設計中，AT91RM9200作為I2C的主機部分，X1227作為從機。下面以此為例，具體介紹這兩部分驅動(dòng)的實(shí)現。

AT91RM9200 I2C總線(xiàn)驅動(dòng)實(shí)現

AT91RM9200是ARM920T處理器，它提供標準的兩線(xiàn)接口TWI，即I2C接口，主機工作模式。通過(guò)TWI 控制寄存器TWI_CR設置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，使接口適應寬范圍時(shí)鐘。

具體在linux中AT91RM9200 I2C總線(xiàn)適配器驅動(dòng)的實(shí)現，首先初始化AT91RM9200 I2C的工作模式，然后裝載I2C總線(xiàn)驅動(dòng)，這需要兩個(gè)結構模塊來(lái)描述：struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm。

初始化i2c_adapter結構成員如下：
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(xiě)函數，具體的讀寫(xiě)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(guò)調用I2C core中的接口函數i2c_add_adapter將這兩個(gè)模塊注冊到操作系統里，總線(xiàn)驅動(dòng)就算裝上了。由此可見(jiàn)，i2c_algorithm實(shí)現了i2c通信具體方法。針對本文at91rm9200 I2C適配器， at91_xfer最為關(guān)鍵。分析內核可知，I2C core框架中提供給主機使用的數據傳輸接口：i2c_master_send，i2c_master_recv，i2c_transfer最終都是通過(guò)調用at91_xfer實(shí)現。

數據傳輸處理如下：數據發(fā)送主機初始化Start狀態(tài)后，向主機模式寄存器TWI_MMR中DADR發(fā)送一個(gè)7位從機地址，以通知從機器件。從機地址后的位表示傳輸方向(寫(xiě)或讀)。該位為0，說(shuō)明是寫(xiě)操作(發(fā)送操作)；若該位為1，說(shuō)明為數據讀請求( 接收操作)。TWI 傳輸要求從機每收到一個(gè)字節后均要給出應答。在應答時(shí)鐘脈沖中，主機釋放數據線(xiàn)(HIGH)，將從機拉低以產(chǎn)生應答。主機在該時(shí)鐘脈沖中輪詢(xún)數據線(xiàn)，可使用輪詢(xún)或中斷方式來(lái)檢驗狀態(tài)位。若從機未應答該字節，將置位狀態(tài)寄存器TWI_SR的NAK 位。

寫(xiě)操作則發(fā)送數據至保持寄存器TWI_THR，設置TWI_CR的START 位以啟動(dòng)傳輸。數據在內部移位寄存器中移位，當檢測到應答，TXRDY位置位，直到TWI_THR中有新數據寫(xiě)入，才清除該位。主機產(chǎn)生STOP 狀態(tài)來(lái)結束傳輸。設置START 后開(kāi)始讀序列。當狀態(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。當讀TWI_RHR 時(shí)RXRDY 位復位。

TWI接口可執行多種傳輸格式：7位從機地址和10位從機地址。通過(guò)主機模式寄存器TWI_MMR配置三個(gè)內部地址字節。若從機僅支持7 位地址，IADRSZ 必須置為0。若從機地址大于7 位，用戶(hù)必須配置地址大小IADRSZ 并在內部地址寄存器TWI_IADR中設置其他從機地址位。

X1227的設備驅動(dòng)實(shí)現

X1227 是一個(gè)帶有時(shí)鐘、日歷、CPU 監控電路和兩路查詢(xún)報警的實(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(lái)顯示時(shí)間，它可以自動(dòng)調整閏年至2096年。同時(shí)X1227有一個(gè)看門(mén)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(hù)配置數據的存儲器。下面以X1227為例，說(shuō)明一個(gè)具體的I2C設備驅動(dòng)程序的設計要點(diǎn)。

如前所述，I2C總線(xiàn)驅動(dòng)只是提供了對一條總線(xiàn)的讀寫(xiě)機制，本身并不會(huì )去做通信。通信是由I2C設備驅動(dòng)來(lái)做的，設備驅動(dòng)透過(guò)I2C總線(xiàn)同具體的設備進(jìn)行通訊。一個(gè)設備驅動(dòng)有兩個(gè)模塊來(lái)描述，struct i2c_client和struct i2c_driver。i2c_client用來(lái)描述一個(gè)具體的I2C設備，i2c_driver結構提供了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利用適配器驅動(dòng)提供的I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方法，利用設備驅動(dòng)程序模塊中提供的地址線(xiàn)索信息，檢測可能存在的設備及其地址。如果成功發(fā)現設備，則創(chuàng )建一個(gè)struct i2c_client來(lái)標識這個(gè)設備，并向該適配器的數據結構注冊。detach_client用于從總線(xiàn)上注銷(xiāo)設備、并釋放i2c_client及相應的私有數據結構。command是用戶(hù)接口中的ioctl功能的底層實(shí)現。

I2C設備驅動(dòng)需要實(shí)現兩個(gè)方面的接口，一個(gè)是對I2C core框架的接口，設備初始化時(shí)通過(guò)函數i2c_add_driver調用，來(lái)實(shí)現驅動(dòng)的注冊。這個(gè)i2c_driver一旦裝入完成，其中的attach_adapter函數就會(huì )被調用。

另一個(gè)是對用戶(hù)應用層的接口，提供用戶(hù)程序訪(fǎng)問(wèn)I2C設備的接口，包括實(shí)現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準文件操作的接口函數。每個(gè)設備驅動(dòng)程序都有一個(gè)稱(chēng)為file_operations的數據結構，用來(lái)實(shí)現接口函數。

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(lái)打開(kāi)和關(guān)閉X1227，x1227_rtc_ioctl則向用戶(hù)提供的一系列控制時(shí)鐘芯片的具體命令：RTC_GET_TIME(以固定的數據格式讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間)、RTC_SET_TIME(以固定的數據格式設定實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間)以及E2PROM讀寫(xiě)等。

對于X1227，一般注冊為一個(gè)miscdevice設備(所有miscdevice設備共同一個(gè)主設備號，不同的次設備號)。

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

初始化時(shí)，通過(guò)misc_register (&x1227_rtc_miscdev)注冊X1227，這樣用戶(hù)程序可以通過(guò)主設備號10 次設備號 135的設備節點(diǎn)/dev/rtc來(lái)訪(fǎng)問(wèn)X1227。

要測試X1227的時(shí)鐘功能，首先把AT91RM9200的I2C總線(xiàn)驅動(dòng)模塊和X1227模塊在系統啟動(dòng)時(shí)先后加載。需要指出的是，Linux將時(shí)鐘分為系統時(shí)鐘和硬件時(shí)鐘兩種。系統時(shí)鐘是指當前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)鐘查看和設置的命令主要有date、hwclock。首先設置系統時(shí)鐘，比如設置為2006年8月17日12點(diǎn)30分：date 081712302006，然后設置硬件時(shí)鐘為當前系統時(shí)鐘時(shí)間，使用命令/sbin/hwclock 衧ystohc，則X1227中的時(shí)間設置為當前系統時(shí)間。然后，通常在操作系統啟動(dòng)時(shí)設置啟動(dòng)腳本/sbin/hwclock 衕ctosys，利用X1227內的時(shí)間更新系統時(shí)鐘，然后直到重啟或關(guān)閉系統，由系統時(shí)鐘來(lái)記錄時(shí)間。

結語(yǔ)

本文介紹了I2C總線(xiàn)適配器及I2C設備驅動(dòng)的實(shí)現。該設計成功用于某網(wǎng)絡(luò )測試設備的主控模塊上，實(shí)現了設備的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，便于整個(gè)系統的監控。I2C總線(xiàn)在目前的嵌入式領(lǐng)域中應用非常廣泛，如音/視頻的控制，存儲設備的通訊等，而Linux也已成為嵌入式系統的主流。從linux內核看，I2C的驅動(dòng)程序具有清晰的層次結構，為編程者開(kāi)發(fā)I2C相關(guān)驅動(dòng)提供了規范的框架。

參考文獻：
1. lessandro Rubini,Jonathan Corbet. Linux Device Drivers,second edition[M].O誖eilly & Associates,2002.
2. 鄭旭陽(yáng)、李兵兵、黃新平，模擬I2C總線(xiàn)多主通信研究與軟件設計，單片機與嵌入式系統應用，2005，12：29_32
3. Philips Corporation, I2C bus specification version 2.1, 2000
4. Atmel Corporation, AT91RM9200 Datasheet, version E, 2005
5.  Xicor Corporation, X1227 Datasheet, version1.3, 2004