如何在Linux環(huán)境下設計基于I2C總線的EEPROM 驅動程序？

1　引言

I2C　(Inter-Integrated　Circuit1總線是一種由Philips公司開發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。筆者在開發(fā)基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)的過程中發(fā)現I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛，I2C總線控制器的類型比較多，對系統(tǒng)提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設備主要有微控制器、EEPROM、實時時鐘、A/D轉換器等.MPC8250處理器正是通過內部的I2C總線控制器來和這些連接在I2C總線上的設備進行數據交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設備驅動程序的設計者在設計驅動程序時采用了獨特的體系結構。使開發(fā)I2C總線設備驅動程序與開發(fā)一般設備驅動程序的方法具有很大差別。因此，開發(fā)I2C總線設備驅動程序除了要涉及一般Linux內核驅動程序的知識外.還要對I2C總線驅動的體系結構有深入的了解。筆者在開發(fā)過程中使用設備型號為AT24C01A的EEPROM　來測試I2C總線驅動。

2　工作原理概述

在介紹I2C總線結構之前。要搞清楚兩個概念：I2C總線控制器和I2C設備。I2C總線控制器為微控制器或微處理器提供控制I2C總線的接口，它控制所有I2C總線的特殊序列、協議、仲裁、時序，這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設備是指通過I2C總線與微控制器或微處理器相連的設備，如EEPROM、LCD驅動器等，這里指EEPROM。

在一個串行數據通道中.I2C總線控制器可以配置成主模式或從模式。開發(fā)過程中，MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設備;與總線相連的I2C設備為AT24C01A型EEPROM，作為從設備。主設備和從設備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主設備控制，主設備產生串行時鐘控制總線的傳輸方向，并產生起始和停止條件。

2.1　I2C總線控制器

I2C使用由串行數據線SDA　和串線時鐘線SCL組成的兩線結構來在外部集成電路與控制器之間交換數據。MPC8250的I2C總線控制器包括發(fā)送和接收單元、一個獨立的波特率發(fā)生器和一個控制單元。發(fā)送和接收單元使用相同的時鐘信號，如果I2C為主設備.那么時鐘信號由I2C的波特率發(fā)生器產生;如果I2C為從設備，時鐘信號則由外部提供。

SDA和SCL為雙向的，通過外部+3.3　V上拉電阻連接至正向電壓。當總線處于空閑狀態(tài)時，SDA和SCL都應是高電平，I2C通常的配置模式如圖1所示。

圖1　I2C配置模式

I2C的接收和發(fā)送單元均為雙緩存，在數據發(fā)送時，數據從發(fā)送數據寄存器到移位寄存器，以時鐘速率輸出到SDA線;在數據接收時，數據從SDA線進入移位寄存器，然后進入接收寄存器。

2.2　I2C總線控制器和EEPROM　的基本操作

I2C總線在傳送數據過程中共有3種類型的信號，分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

開始信號：SCL為高電平時，SDA　由高電平向低電平跳變，開始傳送數據;

結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數據結束;

應答信號：接收數據的設備在接收到一個字節(jié)數據后，　向發(fā)送數據的設備發(fā)出特定的低電平脈沖.表示已收到數據。

當MPC8250的I2C總線空閑時，其SDA和SCL均為高電平，主設備通過發(fā)送一個開始信號啟動發(fā)送過程。這個信號的時序要求是當SCL為高時，SDA出現一個由高到低的電平跳變。在起始條件之后.必須是從設備的地址字節(jié)，其中高4位為器件類型識別符(不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010)，接著3位為片選，最后1位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作，如圖2所示。

圖2　EEPROM設備地址字節(jié)結構

如果主設備要向EEPROM　中寫數據，在地址字節(jié)中主設備向EEPROM發(fā)出一個寫請求(R/W=0)，發(fā)送的地址字節(jié)之后緊跟著要發(fā)送的數據。每發(fā)送一個字節(jié)的數據后EEPROM就會產生一個應答信號，主設備也會監(jiān)控應答信號，如果在發(fā)送一個字節(jié)后EEPROM沒有返回應答信號，則主設備就會停止發(fā)送，并生成一個結束信號。寫操作的時序如圖3所示。

圖3　I2C主設備寫操作時序

要從EEPROM　中讀取數據時，應設置R/W=1。在EEPROM發(fā)送完一個字節(jié)的數據后，主設備產生一個應答信號來響應，告知EEPROM主設備要求更多的數據，對應主設備產生的每個應答信號EEPROM將發(fā)送一個字節(jié)的數據。當主設備不發(fā)送應答信號并隨后發(fā)送結束信號位時結束此操作。讀操作的時序如圖4所示。

圖4　I2C主設備讀操作時序

3　Linux中I2C總線驅動體系結構

在Linux系統(tǒng)中，對于一個給定的I2C總線硬件配置系統(tǒng)，I2C總線驅動程序體系結構由I2C總線驅動和I2C設備驅動組成。其中I2C總線驅動包括一個具體的控制器驅動和I2C總線的算法驅動.一個算法驅動適用于一類總線控制器.而一個具體的總線控制器驅動要使用某一種算法。例如，Linux內核中提供的算法i2e-algo-8260可以用在MPC82xx系列處理器提供的I2C總線控制器上。Linux內核中提供了一些常見處理器如MPC82xx系列的算法驅動。對于I2C設備，基本上每種具體設備都有自己的基本特性.其驅動程序一般都需要特別設計。

在I2C總線驅動程序體系結構中.使用數據結構Driver來表示I2C設備驅動，使用數據結構Client表示一個具體的I2C設備。而對于I2C總線

控制器，各種總線控制器在進行數據傳輸時采用的算法有好多種，使用相同算法的控制器提供的控制接口也可能不同。在I2C總線驅動程序體系結構中，用數據結構Algorithm來表示算法，用數據結構Adapter來表示不同的總線控制器。Linux內核的I2C總線驅動程序體系結構如圖5所示。[!--empirenews.page--]

圖5　Linux內核I2C總線驅動程序體系結構

在圖5中，一個Client對象對應一個具體的I2C總線設備，而一種I2C設備的Driver可以同時支持多個Client。每個Adapter對應一個具體的I2C總線控制器.不同的I2C總線控制器可以使用相同的算法Algorithm。i2c-core是I2C總線驅動程序體系結構的核心，在這個模塊中，除了為總線設備驅動提供了一些統(tǒng)一的調用接口來訪問具體的總線驅動程序功能，以進行讀寫或設置操作外，還提供了將各種支持的總線設備驅動和總線驅動添加到這個體系中的方法，以及當不再使用這些驅動時將其從體系中刪除的方法。i2c-core將總線驅動程序體系一分為二，相互獨立?？梢葬槍δ硞€I2C總線設備來設計一個I2C設備驅動程序，而不需要關心系統(tǒng)的I2C總線控制器是何種類型，所以提高了其可移植性。另一方面，在設計I2C總線驅動時也可以不要考慮其將用來支持何種設備。因為i2c-core提供了統(tǒng)一的接口，所以也為設計這兩類驅動

提供了方便。

4　開發(fā)實例

Linux內核已經提供了I2C驅動中所需要的基本模塊。i2c-core、i2c-dev和i2c-proc是總線控制器和I2C設備所需要的核心模塊。對于MPC8250處理器，內核中還有MPC8260的算法模塊i2c-algo-8260，它也適用于MPC8250的I2C控制接口。這些模塊程序在默認條件下是不會被編譯到內核里的，所以需要在配置Linux內核時把這些模塊選中。在筆者的開發(fā)中需要實現的是I2C總線控制器驅動和I2C設備EEPROM驅動。

4.1　I2C總線控制器驅動的設計

MPC8250的I2C總線驅動程序由i2c-algo-8260算法模塊和MPC8250具體的I2C總線控制器驅動組成。其中i2c-algo-8260算法模塊已經在內核中實現，所以主要實現FC總線控制器驅動。

i2c-algo-8260算法模塊主要用來描述MPC82xx處理器如何在I2C總線上傳輸數據。該模塊中主要實現了MPC82xx處理器上I2C總線的初始化、讀寫、ioctl控制和中斷請求等功能。另外，還有i2c_8260_add_bus和i2c_8260_del_bus兩個函數，它們是使用這個算法的Adapter初始化時和退出時調用的函數，用來注冊和注銷一個總線控制器，需要從模塊導出。這些函數功能都被封裝在一個i2c-algorithm結構中，傳遞給使用這個算法的Adapter。算法模塊中這些函數需要調用特定控制器模塊中的函數來實現具體的操作。

在I2C總線控制器驅動模塊中主要要實現兩個結構體i2c_adapter和i2c_algo_8260_data，定義這兩個結構中的函數指針成員.并且用己經初始化好的i2c_algo_826o_data結構來初始化struct　i2c_adapter結構的algo_data成員變量。其中，定義i2e_algo_8260_data結構為：

struct　i2c_algo_8260_data　rw8250_data={

setisr：rw8250_install_isr

｝;

這里的成員變量rw8250_install__isr提供了MPC8250的I2C總線控制器向內核申請中端請求的功能。結構體i2c_adapter定義如下：

struct　i2c_adapter　rw8250_ops={"rw8250"，I2C_HW_

MPC8250_RW8250，NULL，&rw8250_data，rw8250_inc_use，rw8250_dec_use，rw8250_reg，rw8250_unreg，｝;

其中，"rw8250"是該總線控制器的標識名，宏名I2C_HW_MPC8250_RW8250定義了內核中注冊該適配器的ID號，而成員函數rw8250_inc_use和rw8250_dec_use用來增加和減少內核使用該模塊的次數。

另外，該模塊還要完成一個注冊模塊時的初始化函數rw8250_iic_init，在該函數中要初始化I2C控制器使用的通用端口號PortD14、PortD15，并在雙端口RAM　中為發(fā)送和接受數據的緩沖區(qū)分配空間。函數rw8250_iic_init在進行模塊初始化時將被init_module調用。

總之。I2C控制器模塊中設計的這些函數都是為i2c_algo_8650算法模塊服務的.最后需要封裝在i2c-adapter結構中.通過i2c_algo_8260_data算法模塊中輸出的接口函數傳遞給算法模塊。

4.2　I2C設備驅動的設計

I2C設備EEPROM　驅動除了要根據EEPROM的具體特性進行設計外.還要考慮I2C總線驅動程序體系結構的特性。在EEPROM設備驅動程序中需要實現一個i2c_driver結構.每個對應于具體設備的Client都從這個結構來構造。在i2c_driver結構中有兩個函數attach_adapter和detach_client必須要實現。i2c_driver結構的定義如下：

struct　i2c_driver　eeprom_driver　=　{

/*name*/　"I2C_EEPROM_DRIVER"，/*id*/I2C_DRIVERID_EEPROM，

/*flags*/　I2C_DF_NOTIFY，/*attach_　adapter*/&eeprom_attach_adapter，/*detach_client　*/&eeprom_detach_client，

/*command*/&eeprom_command，/*inc_use*/　&eeprom_inc_use，/*dec_use*/　&eeprom_dec_use

｝;

在設備驅動中。向EEPROM　寫數據通過調用i2c-core提供的i2c_master_send函數來完成。從EEPROM　讀取數據通過另一個函數i2c_master_read來完成。與一般設備驅動不同的地方就是在EEPROM驅動模塊初始函數中要調用i2c-core提供的i2c_add_driver函數來注冊該設備。在模塊退出函數中調用i2c_del_driver函數來注銷該設備。

5　結束語

I2C總線具有控制簡單、通信速率高等優(yōu)點，作為一種2線雙向同步串行數據總線，它為嵌入式系統(tǒng)設計提供了一種完善的集成電路間的串行總線擴展技術，大大簡化了應用系統(tǒng)的硬件設計，為實現應用系統(tǒng)的模塊化設計創(chuàng)造了極為有利的條件。同時，在很多情況下需要對系統(tǒng)中的某些動態(tài)信息進行掉電保護。在數據量不太大的場合下，通過I2C總線連接的EEPROM在這方面就比較能發(fā)揮作用。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，目前在嵌入式系統(tǒng)中的應用非常廣泛。其發(fā)展前景無法估量。由于Linux源碼開放，且非常易于移植，為其編寫設備驅動程序相對容易。本文介紹了Linux下I2C總線EEPROM驅動程序的一般設計方法。