Linux下I2C總線EEPROM驅(qū)動程序設計方法

 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(xiàn)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(zhuǎn)換器等.MPC8250處理器正是通過內(nèi)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(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設備驅(qū)動程序的設計者在設計驅(qū)動程序時采用了獨特的體系結構。使開發(fā)I2C總線設備驅(qū)動程序與開發(fā)一般設備驅(qū)動程序的方法具有很大差別。因此，開發(fā)I2C總線設備驅(qū)動程序除了要涉及一般Linux內(nèi)核驅(qū)動程序的知識外。還要對I2C總線驅(qū)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(qū)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(xié)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(qū)動器等，這里指EEPROM。

　　在一個串行數(shù)據(jù)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(chǎn)生串行時鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。

　　2.1 I2C總線控制器

　　I2C使用由串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(chǎn)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(shù)據(jù)發(fā)送時，數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器到移位寄存器，以時鐘速率輸出到SDA線；在數(shù)據(jù)接收時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；

　　結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數(shù)據(jù)結束；

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

　　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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。每發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后EEPROM就會產(chǎn)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(shù)據(jù)時，應設置R/W=1。在EEPROM發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，主設備產(chǎn)生一個應答信號來響應，告知EEPROM主設備要求更多的數(shù)據(jù)，對應主設備產(chǎn)生的每個應答信號EEPROM將發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。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(qū)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(qū)動程序體系結構由I2C總線驅(qū)動和I2C設備驅(qū)動組成。其中I2C總線驅(qū)動包括一個具體的控制器驅(qū)動和I2C總線的算法驅(qū)動。一個算法驅(qū)動適用于一類總線控制器。而一個具體的總線控制器驅(qū)動要使用某一種算法。例如，Linux內(nèi)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(nèi)核中提供了一些常見處理器如MPC82xx系列的算法驅(qū)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(qū)動程序一般都需要特別設計。

　　在I2C總線驅(qū)動程序體系結構中。使用數(shù)據(jù)結構Driver來表示I2C設備驅(qū)動，使用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)動程序體系結構中，用數(shù)據(jù)結構Algorithm來表示算法，用數(shù)據(jù)結構Adapter來表示不同的總線控制器。Linux內(nèi)核的I2C總線驅(qū)動程序體系結構如圖5所示。

　　圖5 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)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(qū)動程序體系結構的核心，在這個模塊中，除了為總線設備驅(qū)動提供了一些統(tǒng)一的調(diào)用接口來訪問具體的總線驅(qū)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(qū)動和總線驅(qū)動添加到這個體系中的方法，以及當不再使用這些驅(qū)動時將其從體系中刪除的方法。i2c-core將總線驅(qū)動程序體系一分為二，相互獨立。可以針對某個I2C總線設備來設計一個I2C設備驅(qū)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(qū)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(qū)動提供了方便。

　　4 開發(fā)實例

　　Linux內(nèi)核已經(jīng)提供了I2C驅(qū)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(nèi)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(nèi)核里的，所以需要在配置Linux內(nèi)核時把這些模塊選中。在筆者的開發(fā)中需要實現(xiàn)的是I2C總線控制器驅(qū)動和I2C設備EEPROM驅(qū)動。

　　4.1 I2C總線控制器驅(qū)動的設計

　　MPC8250的I2C總線驅(qū)動程序由i2c-algo-8260算法模塊和MPC8250具體的I2C總線控制器驅(qū)動組成。其中i2c-algo-8260算法模塊已經(jīng)在內(nèi)核中實現(xiàn)，所以主要實現(xiàn)FC總線控制器驅(qū)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(shù)據(jù)。該模塊中主要實現(xiàn)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(shù)，它們是使用這個算法的Adapter初始化時和退出時調(diào)用的函數(shù)，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(shù)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(shù)需要調(diào)用特定控制器模塊中的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作。

　　在I2C總線控制器驅(qū)動模塊中主要要實現(xiàn)兩個結構體i2c_adapter和i2c_algo_8260_data，定義這兩個結構中的函數(shù)指針成員。并且用己經(jīng)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(nèi)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(nèi)核中注冊該適配器的ID號，而成員函數(shù)rw8250_inc_use和rw8250_dec_use用來增加和減少內(nèi)核使用該模塊的次數(shù)。

　　另外，該模塊還要完成一個注冊模塊時的初始化函數(shù)rw8250_iic_init，在該函數(shù)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(shù)據(jù)的緩沖區(qū)分配空間。函數(shù)rw8250_iic_init在進行模塊初始化時將被init_module調(diào)用。

　　總之。I2C控制器模塊中設計的這些函數(shù)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(shù)傳遞給算法模塊。

　　4.2 I2C設備驅(qū)動的設計

　　I2C設備EEPROM 驅(qū)動除了要根據(jù)EEPROM的具體特性進行設計外。還要考慮I2C總線驅(qū)動程序體系結構的特性。在EEPROM設備驅(qū)動程序中需要實現(xiàn)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(shù)attach_adapter和detach_client必須要實現(xiàn)。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(qū)動中。向EEPROM 寫數(shù)據(jù)通過調(diào)用i2c-core提供的i2c_master_send函數(shù)來完成。從EEPROM 讀取數(shù)據(jù)通過另一個函數(shù)i2c_master_read來完成。與一般設備驅(qū)動不同的地方就是在EEPROM驅(qū)動模塊初始函數(shù)中要調(diào)用i2c-core提供的i2c_add_driver函數(shù)來注冊該設備。在模塊退出函數(shù)中調(diào)用i2c_del_driver函數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(qū)動程序相對容易。本文介紹了Linux下I2C總線EEPROM驅(qū)動程序的一般設計方法。