嵌入式Linux系統(tǒng)下I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

1 I2C總線簡(jiǎn)介

I2C (Inter-Integrated )總線是一種由公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單性和有效性。

1.1 I2C總線工作原理

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，各種被控制器件均并聯(lián)在這條總線上，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別，可以作為總線上的一個(gè)發(fā)送器件或接收器件(具體由器件的功能決定) [1]。I2C總線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 I2C總線

1.2 I2C總線的幾種信號(hào)狀態(tài)

1. 空閑狀態(tài)：SDA和SCL都為高電平。

2. 開始條件(S)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

3. 結(jié)束條件(P)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)有效：在SCL的高電平期間， SDA保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效。SDA的改變只能發(fā)生在SCL的底電平期間。

5. ACK信號(hào): 數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，接收器件每接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)要產(chǎn)生一個(gè)ACK信號(hào)，向發(fā)送器件發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。

1.3 I2C總線基本操作

I2C總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL），同時(shí)控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生開始和停止條件。

數(shù)據(jù)傳輸中，首先主器件產(chǎn)生開始條件，隨后是器件的控制字節(jié)（前七位是從器件的地址，最后一位為讀寫位 ）。接下來是讀寫操作的數(shù)據(jù)，以及 ACK響應(yīng)信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，主器件產(chǎn)生停止條件[1]。具體的過程如圖2所示。

圖2 完整的I2C數(shù)據(jù)傳輸過程

2 下I2C驅(qū)動(dòng)程序的分析

2.1 系統(tǒng)I2C驅(qū)動(dòng)的層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)對(duì)I2C設(shè)備具有很好的支持，Linux系統(tǒng)下的I2C驅(qū)動(dòng)程序從邏輯上可以分為3個(gè)部分：

1. I2C總線的驅(qū)動(dòng) I2C ：實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線、I2C 及I2C 的管理。

2. I2C控制器的驅(qū)動(dòng) I2C ：針對(duì)不同類型的I2C控制器 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線訪問的具體方法。

3. I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng) I2C ：針對(duì)特定的I2C設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具體的功能，包括, write以及等對(duì)用戶層操作的接口。

這三個(gè)部分的層次關(guān)系如圖3和圖4所示。

2.2 I2C 總線驅(qū)動(dòng) I2C

I2C 是Linux內(nèi)核用來維護(hù)和管理的I2C的核心部分，其中維護(hù)了兩個(gè)靜態(tài)的，分別記錄系統(tǒng)中的I2C 結(jié)構(gòu)和I2C 結(jié)構(gòu)。I2C core提供接口函數(shù)，允許一個(gè)I2C adatper，I2C driver和I2C 初始化時(shí)在I2C core中進(jìn)行注冊(cè)，以及退出時(shí)進(jìn)行注銷。同時(shí)還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口（具體的實(shí)現(xiàn)在與I2C控制器相關(guān)的I2C adapter中實(shí)現(xiàn)），主要應(yīng)用在I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)中。

2.3 I2C控制器的驅(qū)動(dòng) I2C adapter

I2C adapter是針對(duì)不同類型I2C控制器硬件，實(shí)現(xiàn)比較底層的對(duì)I2C總線訪問的具體方法。I2C adapter 構(gòu)造一個(gè)對(duì)I2C core層接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過接口函數(shù)向I2C core注冊(cè)一個(gè)控制器。

I2C adapter主要實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數(shù)就是I2C adapter底層對(duì)I2C總線讀寫方法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)I2C adpter 中還實(shí)現(xiàn)了對(duì)I2C控制器中斷的處理函數(shù)。

2.4 I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng) I2C driver

I2C driver中提供了一個(gè)通用的I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了字符類型設(shè)備的訪問接口，對(duì)設(shè)備的具體訪問是通過I2C adapter來實(shí)現(xiàn)的。I2C driver構(gòu)造一個(gè)對(duì)I2C core層接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過接口函數(shù)向 I2C 注冊(cè)一個(gè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。同時(shí)I2C driver 構(gòu)造一個(gè)對(duì)用戶層接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過接口函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)為一個(gè)主設(shè)備號(hào)為89的字符類型設(shè)備。

I2C driver實(shí)現(xiàn)用戶層對(duì)I2C設(shè)備的訪問，包括，，write，，等常規(guī)文件操作，我們可以通過函數(shù)打開 I2C的設(shè)備文件，通過函數(shù)設(shè)定要訪問從設(shè)備的地址，然后就可以通過 和write函數(shù)完成對(duì)I2C設(shè)備的讀寫操作。

通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個(gè)I2C的設(shè)備，但是其中實(shí)現(xiàn)的read，write及ioctl等功能完全是基于一般設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，所有的操作數(shù)據(jù)都是基于字節(jié)流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設(shè)備，我們可以為一個(gè)具體的I2C設(shè)備開發(fā)特定的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在驅(qū)動(dòng)中完成對(duì)特定的數(shù)據(jù)格式的解釋以及實(shí)現(xiàn)一些專用的功能。

3 一個(gè)具體的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

是一款小巧的I2C接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有低功耗，全BCD碼時(shí)鐘和日歷輸出， 12 /24小時(shí)工作模式，時(shí)分秒、星期、年月日計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，潤(rùn)年自動(dòng)補(bǔ)償，有效期至2100年，外加56 Bytes的NV RAM（非易失性的RAM）等特點(diǎn)。下面以為例，說明一個(gè)具體的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.1 I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一般結(jié)構(gòu)

一個(gè)具體的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的接口，一個(gè)是對(duì)I2C core層的接口，用以掛接I2C adapter層來實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線及I2C設(shè)備具體的訪問方法，包括要實(shí)現(xiàn)attach_adapter，detach_，command等接口函數(shù)。另一個(gè)是對(duì)用戶應(yīng)用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設(shè)備的接口，包括實(shí)現(xiàn)，，read，write以及最重要的ioctl等標(biāo)準(zhǔn)文件操作的接口函數(shù)。

對(duì)I2C core層的接口函數(shù)的具體功能解釋如下：

attach_adapter：I2C driver在調(diào)用I2C_add_driver() 注冊(cè)時(shí)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的每一個(gè)I2C adapter（對(duì)應(yīng)一條I2C 總線）都要調(diào)用該函數(shù)，檢查該I2C adapter是否符合I2C driver的特定條件，如果符合條件則連接此I2C adapter，并通過I2C adapter來實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線及I2C設(shè)備的訪問。

detach_：I2C driver在刪除一個(gè)I2C 時(shí)調(diào)用該函數(shù)，清除描述這個(gè)I2C 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣以后就不能訪問該設(shè)備了。

command：針對(duì)設(shè)備的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一系列的子功能，是用戶接口中的ioctl功能的底層實(shí)現(xiàn)。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)I2C core層的接口

在驅(qū)動(dòng)中必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)struct i2c_driver 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在驅(qū)動(dòng)模塊初始化時(shí)向I2C core注冊(cè)一個(gè)I2C驅(qū)動(dòng)，并完成對(duì)I2C adapter的相關(guān)操作。

struct i2c_driver _driver =

{

: "DS1307",

id: I2C_DRIVERID_DS1307,

flags: I2C_DF_NOTIFY,

attach_adapter:_,

detach_client:_detach,

command: ds1307_command

};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ds1307_driver中的:"DS1307"，Id:I2C_DRIVERID_DS1307用來標(biāo)識(shí)DS1307驅(qū)動(dòng)程序。flags: I2C_DF_NOTIFY表示在I2C總線發(fā)生變化時(shí)通知該驅(qū)動(dòng)。

ds1307_對(duì)應(yīng)i2c_driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的attach_adapter，主要功能：調(diào)用 I2C core 層提供的i2c_函數(shù)查找一條I2C總線，看是否有DS1307的設(shè)備存在，如果存在DS1307，則將對(duì)應(yīng)的I2C adapter 和DS1307設(shè)備掛接在一起，并通過該I2C adapter來實(shí)現(xiàn)對(duì)DS1307的訪問。同時(shí)使能DS1307, 并調(diào)用i2c_attach_client()向I2C core層注冊(cè)DS1307。

ds1307_detach對(duì)應(yīng)i2c_driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的detach_client，主要功能：調(diào)用i2c_detach_client() 向I2C core層注銷DS1307，并不使能DS1307，這樣I2C驅(qū)動(dòng)就不能訪問DS1307了。

ds1307_command對(duì)應(yīng)i2c_driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的command ，主要功能：針對(duì)DS1307時(shí)鐘芯片的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一系列的諸如DS1307_GETTIME ，DS1307_SETTIME，DS1307_GETDATETIME，DS1307_MEM_READ，DS1307_MEM_WRITE等子功能，是用戶接口中的ioctl功能的底層實(shí)現(xiàn)。

以上3個(gè)接口函數(shù)使DS1307的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)I2C 總線及I2C adpater的掛接，因此就可以通過I2C core的提供對(duì)I2C總線讀寫訪問的通用接口，來開發(fā)實(shí)現(xiàn)DS1037驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ脩魬?yīng)用層的接口函數(shù)。

3.3 DS1307驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶應(yīng)用層的接口

在驅(qū)動(dòng)中必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)struct file_operations 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并向內(nèi)核注冊(cè)為一個(gè)字符類型的設(shè)備（用單獨(dú)的主設(shè)備號(hào)來標(biāo)識(shí)），或者注冊(cè)為一個(gè)misc設(shè)備（所有miscdevice設(shè)備共同一個(gè)主設(shè)備號(hào)，不同的次設(shè)備號(hào)，所有的miscdevice設(shè)備形成一個(gè)鏈表，對(duì)設(shè)備訪問時(shí)根據(jù)次設(shè)備號(hào)查找對(duì)應(yīng)的miscdevice設(shè)備，然后調(diào)用其struct file_operations中注冊(cè)的應(yīng)用層接口進(jìn)行操作）。

struct file_operations rtc_fops =

{

owner: THIS_MODULE,

ioctl: ds1307_rtc_ioctl,

read: ds1307_rtc_read,

write: ds1307_rtc_read,

open: ds1307_rtc_open,

: ds1307_rtc_release

};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rtc_fops 中的ds1307_rtc_open 和ds1307_rtc_release對(duì)應(yīng)file_operations中的open和release，分別用來打開和關(guān)閉DS1307。

ds1307_rtc_ioctl對(duì)應(yīng)file_operations中的ioctl，對(duì)用戶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(shù)據(jù)格式讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間。RTC_SET_TIME：以固定的數(shù)據(jù)格式設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間。RTC_SYNC_TIME：系統(tǒng)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘之間的時(shí)間同步。

ds1307_rtc_read 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)file_operations中的read，實(shí)現(xiàn)與ds1307_rtc_ioctl 的子功能RTC_GET_TIME相同的功能，以及從NV RAM讀取數(shù)據(jù)。

ds1307_rtc_write 對(duì)應(yīng)file_operations中的write，實(shí)現(xiàn)與ds1307_rtc_ioctl的子功能 RTC_SET_TIME相同的功能，以及將數(shù)據(jù)寫入NV RAM。

3.4 DS1307驅(qū)動(dòng)程序的加載和測(cè)試

在DS1307驅(qū)動(dòng)模塊的初始化函數(shù)ds1307_init()中，首先通過i2c_add_driver(&ds1307_driver)向I2C core層注冊(cè)一個(gè)I2C的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，然后再通過misc_register (&ds1307_rtc_miscdev)將DS1307注冊(cè)為一個(gè)miscdevice設(shè)備，這樣用戶程序就可以通過主設(shè)備號(hào)10 次設(shè)備號(hào) 135的設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/rtc來訪問DS1307了。

將DS1307的驅(qū)動(dòng)程序編譯成模塊的方式，通過insmod命令加載進(jìn)內(nèi)核，然后用測(cè)試代碼進(jìn)行測(cè)試，DS1307驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)的所有功能都達(dá)到了預(yù)期的效果。

由于DS1307驅(qū)動(dòng)程序在底層實(shí)現(xiàn)了對(duì)DS1307時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)的解釋和轉(zhuǎn)換，所以在用戶程序中得到的就是有固定格式和意義的數(shù)據(jù)，這樣就方便了用戶程序的訪問，提高了應(yīng)用開發(fā)的效率。

4 總結(jié)

I2C總線是一種結(jié)構(gòu)小巧，協(xié)議簡(jiǎn)單的總線，應(yīng)用很廣泛，訪問起來簡(jiǎn)單方便。linux系統(tǒng)下I2C的驅(qū)動(dòng)程序具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，可以很容易地為一個(gè)特定的I2C設(shè)備開發(fā)驅(qū)動(dòng)。本文通過對(duì)linux系統(tǒng)下I2C驅(qū)動(dòng)，以及一個(gè)具體的DS1307時(shí)鐘芯片驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析，基本上可以很清楚看出一個(gè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)過程。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵分為兩個(gè)部分，1. 對(duì)I2C core的接口，必須實(shí)現(xiàn) struct i2c_drvier數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)特定的功能函數(shù)。這些函數(shù)是I2C驅(qū)動(dòng)與I2C總線物理層（I2C控制器）和I2C設(shè)備器件之間通信的基礎(chǔ)。2. 對(duì)用戶應(yīng)用層的接口，必須實(shí)現(xiàn)struct file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一些特定功能的函數(shù)，如 open ，release , read ,write，lseek等函數(shù)。以上兩類接口中，對(duì)I2C core的接口是對(duì)I2C設(shè)備訪問的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線具體的訪問方法；對(duì)用戶應(yīng)用層的接口則是方便應(yīng)用程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定功能的必不可少的部分。