基于嵌入式Linux下的I2C設(shè)備驅(qū)動的總體思路與框架設(shè)計

0 引言

由于I2C總線的通用性，Linux作為一款優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，也必須要對其要有很好的支持。在Linux內(nèi)核源碼中對I2C總線的驅(qū)動是基于總線設(shè)備驅(qū)動模型的，其驅(qū)動程序用到了特殊的幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對I2C總線協(xié)議進行了更抽象更通用的定義，極大的增加了設(shè)備驅(qū)動的可移植性。要編寫出自己的I2C 設(shè)備驅(qū)動程序，必須對這種內(nèi)核I2C總線驅(qū)動的架構(gòu)有深刻的理解。

1 I2C總線的硬件構(gòu)成

I2C 總線協(xié)議只有兩條總線線路，一條是串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條是串行時鐘線（SCL）。SDA 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，SCL 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘同步。I2C 設(shè)備通過這兩條總線連接到處理器的I2C總線控制器上，不同設(shè)備之間通過7 位地址來區(qū)別，而且數(shù)據(jù)的傳輸是雙向的，方向的確定由1位二進制數(shù)確定，地址位加方向位是操作I2C 設(shè)備的惟一標(biāo)示，I2C 設(shè)備與CPU 的連接如圖1所示。

I2C 總線上有3 種類型的信號，分別是：開始信號，結(jié)束信號和應(yīng)答信號。這些信號都是由SDA和SCL上的電平變化來表示的。

開始信號（S）：當(dāng)SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，表示開始傳輸數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號（P）：當(dāng)SCL為高電平時，SDAY由低電平向高電平跳變，表示結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)。

相應(yīng)信號（ACK）：從機接收到8位數(shù)據(jù)后，在第9個時鐘周期，拉低SDA電平，表示已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)。

當(dāng)總線空閑時，SDA 和SCL 都處于高電平，主機檢測到總線空閑就可以向從機發(fā)送數(shù)據(jù)。主機首先發(fā)送開始信號S，接著發(fā)出8位數(shù)據(jù)（包括前7位的從機地址和1 為的方向位），然后等待從機發(fā)回確認(rèn)信號ACK.

當(dāng)?shù)?位為0時，表示向從機傳輸數(shù)據(jù)，主機收到確認(rèn)信號后就可以連續(xù)的向從機寫入8 位數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)? 位為1時，表示向從讀取數(shù)據(jù)，這時主機就可以接收來自從機的一系列數(shù)據(jù)。最后當(dāng)總個數(shù)據(jù)傳輸過程完成后，由主機發(fā)送結(jié)束信號P，表示本次的數(shù)據(jù)傳輸完成。

2 Linux 的I2C設(shè)備驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)

因為I2C設(shè)備的種類繁多，如果為每一款I(lǐng)2C設(shè)備都編寫一個驅(qū)動程序，顯然不太現(xiàn)實也不太可能做到。所以，Linux中是對I2C 設(shè)備驅(qū)動采取了層次化處理，分為總線層和設(shè)備層。將I2C設(shè)備驅(qū)動的一些共同屬性抽象起來歸結(jié)起來作為總線層，而將具體I2C設(shè)備特殊操作作為設(shè)備層。在Linux中I2C設(shè)備驅(qū)動中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［4，7-8］的關(guān)系如圖2 所示。關(guān)于這部分代碼位于Linux內(nèi)核源碼樹的/driver/i2c中。

理解這層次結(jié)構(gòu)重點是要理解4個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是屬于設(shè)備層的i2c_driver 與i2c_client，屬于總線層的i2c_adapter與i2c_algorithm.下面分別對這四個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做簡要的說明。

struct i2c_driver：具體的每一個I2C設(shè)備都應(yīng)該對應(yīng)著的一個驅(qū)動，這個結(jié)構(gòu)體里面定義了Linux設(shè)備模型中用于I2C 總線管理的一系列函數(shù)指針和I2C 設(shè)備的信息。其中最重要的兩個成員是適配器檢測函數(shù)指針at-tach_adapter，和設(shè)備ID表id_table.

struct i2c_client：一個連接在SDA 和SCL 總線上的具體設(shè)備是由i2c_client結(jié)構(gòu)體描述的，定義了兩個成員變量表示這個具體設(shè)備所對應(yīng)的適配器和驅(qū)動。

struct i2c_adapter：此結(jié)構(gòu)體表示CPU 里面具體的I2C控制器，本質(zhì)上也是對應(yīng)著一個物理設(shè)備，其中最要的成員變量是指向適配器驅(qū)動的程序的algo 結(jié)構(gòu)體指針。

struct i2c_algorithm：里面定義了具體適配器驅(qū)動程序的函數(shù)指針。特別是master_xfer函數(shù)指針，這個函數(shù)實現(xiàn)了適配器最底層的操作方法，也是I2C設(shè)備驅(qū)動中總線層里面要編寫的重要函數(shù)。

i2c_dev 里面定義了讀寫I2C 設(shè)備應(yīng)用層的讀寫接口，但由于其缺少通用性，一般很少用到所以并不做詳細(xì)的介紹。

i2c_core在驅(qū)動框架中起到了承上啟下的作用，里面定義了許多重要的函數(shù)。例如：adapter注冊/注銷函數(shù)，增加/刪除設(shè)備驅(qū)動函數(shù)，增加/刪除I2C設(shè)備的函數(shù)，I2C傳輸，發(fā)送和接收函數(shù)。這些函數(shù)都是在編寫I2C設(shè)備驅(qū)動程序中必須要用到的接口函數(shù)，正是由于這些通用的接口函數(shù)才使得代碼具有很強的可移植性和重用性。

3 編寫I2C設(shè)備驅(qū)動的思路

在了解Linux中I2C設(shè)備驅(qū)動的基本框架后，要編寫自己的設(shè)備驅(qū)動首先要弄清楚的一個問題是到底內(nèi)核已經(jīng)實現(xiàn)了那部分，需要實現(xiàn)的又是那部分。因為I2C設(shè)備驅(qū)動是基于總線設(shè)備驅(qū)動模型的，一般而言在移植Linux操作系統(tǒng)中，Linux內(nèi)核已經(jīng)對總線部分已經(jīng)有了很好的實現(xiàn)，所以總線部分的驅(qū)動一般可以不必關(guān)心。

在此需要實現(xiàn)的是設(shè)備層的i2c_driver與i2c_client結(jié)構(gòu)體，并利用I2C 子系統(tǒng)提供的接口函數(shù)掛接到I2C 總線上。

每一個I2C設(shè)備驅(qū)動，必須首先創(chuàng)造一個i2c_driver結(jié)構(gòu)體對象，該結(jié)構(gòu)體包含了I2C設(shè)備探測和注銷的一些基本方法和信息。其中包括設(shè)備驅(qū)動的名字，適配器的掛接/取消函數(shù)指針等。一個例子如下所示，name字段標(biāo)識本驅(qū)動的名稱（不要超過31 個字符），at-tach_adapter和detach_client字段為函數(shù)指針，這兩個函數(shù)在I2C設(shè)備注冊的時候會自動調(diào)用，需要自己實現(xiàn)這兩個函數(shù)。

上面定義的i2c_driver對象，抽象為一個I2C的驅(qū)動模型，提供對I2C設(shè)備的探測和注銷方法，接下來就是要定義i2c_client 結(jié)構(gòu)體，其代表著一個具體的I2C 設(shè)備，該結(jié)構(gòu)體有一個data指針，可以指向任何私有的設(shè)備數(shù)據(jù)，在復(fù)雜點的驅(qū)動中可能會用到。

每一個I2C設(shè)備芯片，都通過硬件連接設(shè)定好了該設(shè)備的I2C設(shè)備地址。因此，I2C設(shè)備的探測一般是靠設(shè)備地址來完成的。那么，首先要在驅(qū)動代碼中聲明你要探測的I2C設(shè)備地址列表以及一個宏，示例如下：

有了i2c_client結(jié)構(gòu)體代表了具體的設(shè)備和設(shè)備ID后就可以實現(xiàn)attach_adapter 和detach_client 函數(shù)。這兩個函數(shù)是系統(tǒng)自動調(diào)用的，它的實現(xiàn)是有一定的框架的，可以在linux內(nèi)核源碼的驅(qū)動例子中找到，由于代碼過長這里不做具體的分析。針對不同的設(shè)備函數(shù)的實現(xiàn)會略有不同，一般attach_adapte需要完成的工作是對i2c_client結(jié)構(gòu)體成員賦值和調(diào)用接口函i2c_attach_cli-ent把設(shè)備掛接到適配其中。而detach_client 函數(shù)則是完成相反的工作。

最后的一步是編寫模塊的初始化與退出函數(shù)把驅(qū)動加進I2C驅(qū)動子系統(tǒng)中，示例可以是：

至此，I2C設(shè)備的驅(qū)動已經(jīng)完成了，但是到了這一步本驅(qū)動并沒有實際的用處，它僅僅提供的是一個設(shè)備驅(qū)動程序的管理框架，所以必須還要進行兩方面的補充。

第一方面是，利用I2C總線讀寫外部芯片的控制/狀態(tài)寄存器；第二方面是，向應(yīng)用層提供I2C設(shè)備的讀寫接口，令應(yīng)用程序可以對設(shè)備節(jié)點的讀寫實現(xiàn)對I2C具體物理設(shè)備的讀寫。為了實現(xiàn)I2C 設(shè)備寄存器的讀寫操作，必須要用到Linux的I2C子系統(tǒng)提供的讀寫接口函數(shù)：

利用這兩個函數(shù)根據(jù)芯片的讀寫時序進行封裝，就可以讀寫芯片內(nèi)部的寄存器，以寫芯片寄存器為例，必須寫往總線上寫寄存器的地址，然后寫入要往寄存器里寫入的數(shù)據(jù)，示例代碼如下所示。讀寄存器的時序則是則是先寫入要讀寄存器的地址，然后接受總線上的數(shù)據(jù)，區(qū)別不大，不做示例。

要想向應(yīng)用層提供讀寫接口，則必須再對I2C設(shè)備驅(qū)動進行一次簡單字符設(shè)備驅(qū)動的封裝，將I2C設(shè)備作為一個簡單字符設(shè)備，依次實現(xiàn)字符設(shè)備文件操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體file_operation 里面的函數(shù)指針?biāo)鶎?yīng)的接口函數(shù)，這里只給出了大體的框架，具體的實現(xiàn)對于不同的芯片有很大的不同。

定義一個字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體cdev，將I2C 設(shè)備當(dāng)做一個普通的字符設(shè)備處理。

定義一個文件操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體，填寫里面函數(shù)指針，指出設(shè)備操作所對應(yīng)的具體函數(shù)，一般的例子是：

接著就是編寫file_operations所對應(yīng)的具體函數(shù)。

最后一步是在模塊的初始化和退出函數(shù)中增加對簡單字符設(shè)備的注冊和注銷操作，包括設(shè)備號申請與注銷，設(shè)備注冊與注銷兩方面。

至此，將編譯好的模塊加載進內(nèi)核后就可以在用戶空間利用文件系統(tǒng)的API對設(shè)備文件進行各種操作。

4 結(jié)語

I2C總線在電子系統(tǒng)設(shè)計中是十分普遍的一種接口技術(shù)，而Linux又是十分流行的嵌入式操作系統(tǒng)。編寫嵌入式Linux下I2C總線設(shè)備的驅(qū)動驅(qū)動程序是嵌入式開發(fā)中十分重要的一項技術(shù)，不容忽視。本文首先講述了Linux系統(tǒng)I2C設(shè)備驅(qū)動程序的總體框架，然后給出了編寫I2C設(shè)備驅(qū)動的總體思路與框架，希望給讀者理清思路，加深對編寫I2C設(shè)備驅(qū)動的理解?？偠灾?，利用I2C總線通信可以達到很高的速率，而且總線上可以掛接多個節(jié)點，每個節(jié)點都由惟一的地址確定。