基于Linux系統(tǒng)的多種串行總線統(tǒng)一接口的實現(xiàn)

摘要：基于Linux字符設備操作接口和各類串行總線的共性，按照分層的思想，抽象出各種總線的統(tǒng)一接口。統(tǒng)一接口的應用層API與底層的具體總線操作形式無關，而且便于應用系統(tǒng)的升級和移植。文中給出了一種多種串行總線統(tǒng)一接口的實現(xiàn)方法，并以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例，驗證了新方法的可行性。
關鍵詞：統(tǒng)一接口；嵌入式系統(tǒng)：Linux；設備驅動；串行總線

0 引言
    在Linux內核中單獨實現(xiàn)TTY、I2C、SPI、ISA、USB等多種總線驅動時，每一種總線的實現(xiàn)都有各自的特點，如參數(shù)設置不同，實現(xiàn)的結構不同等。以TTY、I2C為例，TTY采用的是基于線路規(guī)程的三層結構，而I2C則是基于用戶句柄和適配器的三層結構。當然，這些驅動都是功能齊全而強大的，但對于并不復雜的應用而言，這樣的控制是比較繁瑣的，而且，對于移植也是不利的。例如，某個應用系統(tǒng)原先使用一款I2C接口的時鐘芯片，但后來系統(tǒng)升級換成了一款SPI接口的時鐘芯片，這時就不得不對程序做較大的改動了。本文給出了一種多種串行總線統(tǒng)一接口的實現(xiàn)方法，并以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例驗證了方法的可行性。

1 總線協(xié)議及其工作過程
    多數(shù)的串行總線都基于主從結構，如果總線中包含了時鐘信號線，那么，該時鐘信號就由主機提供，而如果還包含了片選信號，通常也由主機來控制。也就是說，主機發(fā)起通信，從機處于被動狀態(tài)，所以，對于總線時序的分析，只需討論主控制器端的時序，而從設備的時序就是它的逆向過程。
1．1 SPI協(xié)議及其工作過程
    SPI總線是摩托羅拉公司提出的一種串行總線協(xié)議，該總線由4根基本的信號線組成，分別是CS、SI、SO、SCK。其中SCK是串行總線時鐘，由主設備提供；而SI、SO分別對應于數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出信號。在一主多從的系統(tǒng)中，片選信號決定當前有效的從設備。
    SPI總線的工作過程是：首先，主機發(fā)起通信，通過片選信號激活從設備；然后，主機在串行時鐘SCK信號的同步下，將地址、命令、數(shù)據(jù)信息從串行數(shù)據(jù)輸出信號(相對主機而言)SI送出；而從設備則在SCK信號的同步下接收主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并作出相應反應，最后將結果從數(shù)據(jù)輸入信號(相對主機而言)SO送出。
    S3C2440中對SPI總線的控制，就是集中于對rSPCONn、rSPSTAn、rSPPINn、rSPPREn、rSPTDATn和rSPRDATn的控制。其中rSPCONn用于DMA設置、工作模式選擇、時鐘相位選擇，rSPSTAn用于控制器狀態(tài)查詢，rSPPINn用于多主機下出錯檢測和片選釋放，rSPPREn用于控制預分頻狀態(tài)寄存器，rSPTDATn是數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器，rSPRDATn是數(shù)據(jù)接收寄存器。
1．2 I2C協(xié)議及其工作過程
    I2C總線是由飛利浦公司提出的一種接口標準，該總線由SDA、SCL兩根信號線組成。其中SCL為時鐘信號，由主機提供，最大傳輸速率為400kb／s；而SDA為數(shù)據(jù)信號。連接到總線上的每一個設備都有一個唯一的地址，通過這個地址使得主機能夠找到目標從機并與之進行通信。
    以主機發(fā)送為例，I2C總線的工作過程是：首先，主機控制時鐘信號SCL為高電平時，數(shù)據(jù)信號SDA產(chǎn)生一個下降沿，作為起始條件。然后，主機發(fā)出7位的從設備地址和1位R／W標志，并激活將要與之通信的從設備，而從設備則會產(chǎn)生一個應答信號。對于寫數(shù)據(jù)，主機緊接著就將一個字符或一串數(shù)據(jù)寫入到從設備；而對于讀數(shù)據(jù)，則緊接著讀取從設備輸出的數(shù)據(jù)。
    I2C總線中的S3C2440對I2C的控制主要集中于對rIICCON、rIICSTAT、rIICADD和rIICDS的控制。其中rIICCON用于時鐘源選擇、中斷控制和I2C控制器使能，rIICSTAT用于工作模式選擇、控制器狀態(tài)查詢，rIICADD是從設備地址(當S3C2440設置為從設備模式時使用)，rIICDS是發(fā)送接收移位寄存器。
1．3 1-Wire協(xié)議及其工作過程
    1-Wire總線是Maxim全資子公司Dallas提出的一種總線接口。1-Wire總線與其他的串行總線有比較大的區(qū)別：普通的串行總線通常由兩根或兩根以上的信號線組成；而1-Wire總線僅有一根信號線，同時用于時鐘、數(shù)據(jù)、命令的傳輸，具有資源利用率高、結構簡單、成本低廉、易于總線擴展等優(yōu)點。
     1-Wire總線工作過程：1-Wire總線包含復位、讀、寫三種基本時序。在復位狀態(tài)下，主機將總線拉低480～960 μs后釋放總線，由于上拉電阻的作用，此時的電平為高，等待15～60 μs之后，從設備將總線拉低表示復位成功。寫操作時，若寫入數(shù)據(jù)位為0，則主機將總線拉低60μs后釋放；若寫入數(shù)據(jù)位為1，則主機將總線拉低1～15 μs后釋放。由于很少有控制器集成了1-Wire總線控制器，所以，一般使用GPIO模擬的方式，這時，對于時序的控制就要求得比較精確。

2 Linux下的統(tǒng)一驅動
    這些總線有一些共性，也就是驅動要實現(xiàn)的內容，主要包括單字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)流收發(fā)以及工作模式控制等。在這些共性的基礎上，一般都需要向上層提供一個統(tǒng)一的接口，以使得對使用這些API的應用程序而言(下層總線無論是RS-232、SPI、I2C，還是1-Wire)都不需要做任何改變。同時，還要對下層也提供一個通用接口，使得不同的總線都能與上層統(tǒng)一接口協(xié)調通信。該驅動的結構框架如圖1所示。

    本文主要討論的是總線驅動部分，而應用層和物理層在測試的時候，也可用兩個簡單的例子來驗證設計結果。[!--empirenews.page--]
2．1 注冊一個新設備號
    首先可為統(tǒng)一接口的總線定義一個新的設備號240，而且以后注冊的總線子設備都以此為主設備號。假如現(xiàn)在注冊了一個1-Wire和一個I2C總線接口，那么，它們兩者的主設備號都為240，而次設備號不同。如果1-Wire的次設備號為0，而I2C的次設備號為1，那么就可將兩條總線區(qū)分開來了。此時的程序如程序片段一所示。
    程序片段一：

2．2 設備接口層
    為了實現(xiàn)統(tǒng)一的接口，有必要定義一個統(tǒng)一的字符設備接口buses_ops，應用程序訪問總線都通過這個接口，這樣，所討論的統(tǒng)一接口問題也就實現(xiàn)了。該接口的主要函數(shù)成員如程序片段二所示。
    程序片段二：
    
    
    應用程序打開設備的時候，利用子設備號可以找到總線對應的底層適配器，也就是說，子設備號兼具了適配器索引的功能，其具體實現(xiàn)如程序片段三所示。
    程序片段三：

    事實上，buses_dev是設備層和適配器層的橋梁，在open操作里被賦值給文件指針的私有數(shù)據(jù)域。那么，在讀與寫函數(shù)中，就可以反其道而行，通過文件指針的私有數(shù)據(jù)域就可獲得buses_dev數(shù)據(jù)結構體。
2．3 適配器接口層
    適配器負責對底層數(shù)據(jù)的操作，由于不同的總線之間存在共性，所以，一般來說，它們都包含了單字節(jié)讀、單字節(jié)寫、多字節(jié)讀、多字節(jié)寫以及一些特殊控制。綜上所述，該數(shù)據(jù)結構如程序片段四所示。
    程序片段四：
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    所謂適配器注冊，就是將適配器添加到全局鏈表buses_list_head中，只有這樣，才能在字符設備接口的open操作中通過子設備號索引找到適配器，具體如程序片段五所示。
    程序片段五：


3 實驗測試
    這里分別以1-Wire、SPI、I2C總線為例來初始化三條總線適配器，同時實現(xiàn)適配器的單字節(jié)寫、單字節(jié)讀、特殊控制等三種基本操作。具體操作如下面的程序所示：
    程序片段六：
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    完成設備驅動加載之后，就會在／dev目錄下生成如圖2所示的文件節(jié)點。通過打開節(jié)點，就可以打開總線的統(tǒng)一接口，從而實現(xiàn)對總線的讀、寫和控制操作。

    同時，還會在／sys目錄下生成關于注冊的總線屬性目錄和文件，主要包含有設備號的屬性文件、電源管理屬性目錄、到類目錄的鏈接、特殊事件屬性文件等，具體如圖3所示。

    這里分別對I2C接口的E2PROM芯片AT24C02、1-Wire接口的EEPROM芯片DS2433和SPI接口的EEPROM芯片25AA010進行測試。其測試結果如圖4所示。

    其測試過程是：通過打開／dev／bus-0、／dev／bus-1、／dev／bus-2節(jié)點，調用寫操作寫一段數(shù)據(jù)到EEPROM，然后，再調用讀操作讀出剛才寫入的數(shù)據(jù)，并驗證兩者是否一致，從而判斷本文的接口函數(shù)的正確性。

4 結語
    實踐證明，使用設備接口層與適配器接口層的這種分層方式，能夠讓應用程序進一步忽略底層的接口操作，實現(xiàn)接口的統(tǒng)一。而且，該方法具有適應性強，易于系統(tǒng)升級，占用資源少等特點，能有效提高應用程序的開發(fā)效率。