嵌入式Linux系統中I2C總線設備的驅動設計

摘要： 本文分析了Linux系統中I2C驅動程序的結構，并以AT91RM9200和X1227為例，介紹了如何在嵌入式Linux系統中實現I2C總線適配器及I2C設備驅動。
關鍵詞： Linux；I2C總線；I2C設備；驅動
引言
I2C總線是PHILIPS公司推出的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備，具有簡單、高效等特點。由于其接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片引腳的數量，降低了互聯成本，特別適用于嵌入式產品。
而Linux系統具有開源、免費、網上資源豐富等優點，目前已成為嵌入式系統的主流選擇。因此如何在嵌入式Linux系統中實現I2C功能成為實際開發中的問題。
I2C總線
I2C 總線通過串行數據SDA 和串行時鐘SCL線在連接到總線的器件間傳遞信息，每個器件都有一個唯一的地址識別。根據數據傳輸時的功能不同，把器件分為主機和從機。主機是初始化總線的數據傳輸并產生允許傳輸的時鐘信號的器件，通常是微控制器。此時，任何被尋址的器件都被認為是從機，例如LCD驅動器、E2PROM等。
I2C總線協議規定，各主機進行通信時都要有起始、結束、發送數據和應答信號。這些信號都是通信過程中的基本單元。起始信號就是在SCL線為高時SDA線從高變化到低；停止信號就是在SCL線為高時SDA線從低變化到高；應答信號是在SCL為高時SDA為低；非應答信號相反，是在SCL為高時SDA為高。
總線傳送的每1幀數據均是1個字節。協議規定，在啟動總線后的第1個字節的高7位是對從機的尋址地址，第8位為方向位(“0”表示主機對從機的寫操作；“1”表示主機對從機的讀操作)，其余的字節為操作數據。數據傳送過程是：在I2C總線發送起始信號后，發送從機的7位尋址地址和1位表示這次操作性質的讀寫位，在有應答信號后開始傳送數據，直到發送停止信號。主機每發送1個字節就要檢測SDA線上有沒有收到應答信號，有則繼續發送，否則將停止發送數據。
Linux中I2C總線驅動結構
Linux系統對I2C總線具有很好的支持。與硬件物理連接相對應的，Linux的I2C框架中各個部分的關系如圖1所示。

圖1 Linux內核I2C總線驅動程序構架

內核中I2C相關代碼可以分為三個層次：
1. I2C core框架：提供了核心數據結構的定義和相關接口函數，用來實現I2C適配器驅動和設備驅動的注冊、注銷管理，以及I2C通信方法上層的、與具體適配器無關的代碼，為系統中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。
2. I2C總線適配器驅動：定義描述具體I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構、實現在具體I2C適配器上的I2C總線通信方法，并由i2c_algorithm數據結構進行描述。
3. I2C 設備驅動：定義描述具體設備的i2c_client和可能的私有數據結構、借助I2C core提供的函數接口完成設備在內核的注冊，并實現具體的功能，包括read, write以及ioctl等對用戶層操作的接口。
總體而言，Linux中I2C總線的驅動分為兩個部分：總線驅動(BUS)和設備驅動(DEVICE)。I2C core與I2C總線適配器驅動完成了硬件上的主機總線驅動(BUS)，而I2C driver則實現了從機設備驅動。在設計中，I2C core提供的接口是統一的，不需要修改，我們只需要實現特定I2C總線適配器驅動和I2C設備驅動，這樣大大提高了系統的可移植性。
筆者在某個產品中曾用AT91RM9200和X1227構成嵌入式系統的時鐘模塊。在該設計中，AT91RM9200作為I2C的主機部分，X1227作為從機。下面以此為例，具體介紹這兩部分驅動的實現。
AT91RM9200 I2C總線驅動實現
AT91RM9200是ARM920T處理器，它提供標準的兩線接口TWI，即I2C接口，主機工作模式。通過TWI 控制寄存器TWI_CR設置I2C工作模式和狀態。時鐘由寄存器TWI_CWGR中編程值產生。該寄存器定義了TWCK 信號，使接口適應寬范圍時鐘。
具體在linux中AT91RM9200 I2C總線適配器驅動的實現，首先初始化AT91RM9200 I2C的工作模式，然后裝載I2C總線驅動，這需要兩個結構模塊來描述：struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm。
初始化i2c_adapter結構成員如下：
static struct i2c_adapter at91rm9200_adapter = {
name: "AT91RM9200",
id: I2C_ALGO_SMBUS,
algo: &at91_algorithm,
algo_data: NULL,
inc_use: at91_inc,
dec_use: at91_dec,
... ...
};
這個模塊并未提供讀寫函數，具體的讀寫方法由第二個模塊struct i2c_algorithm提供。
static struct i2c_algorithm at91_algorithm = {
name: "at91 i2c",
id: I2C_ALGO_SMBUS,
smbus_xfer: at91_smbus_xfer,
master_xfer: at91_xfer,
functionality: at91_func,
};
通過調用I2C core中的接口函數i2c_add_adapter將這兩個模塊注冊到操作系統里，總線驅動就算裝上了。由此可見，i2c_algorithm實現了i2c通信具體方法。針對本文at91rm9200 I2C適配器， at91_xfer最為關鍵。分析內核可知，I2C core框架中提供給主機使用的數據傳輸接口：i2c_master_send，i2c_master_recv，i2c_transfer最終都是通過調用at91_xfer實現。
數據傳輸處理如下：數據發送主機初始化Start狀態后，向主機模式寄存器TWI_MMR中DADR發送一個7位從機地址，以通知從機器件。從機地址后的位表示傳輸方向(寫或讀)。該位為0，說明是寫操作(發送操作)；若該位為1，說明為數據讀請求( 接收操作)。TWI 傳輸要求從機每收到一個字節后均要給出應答。在應答時鐘脈沖中，主機釋放數據線(HIGH)，將從機拉低以產生應答。主機在該時鐘脈沖中輪詢數據線，可使用輪詢或中斷方式來檢驗狀態位。若從機未應答該字節，將置位狀態寄存器TWI_SR的NAK 位。
寫操作則發送數據至保持寄存器TWI_THR，設置TWI_CR的START 位以啟動傳輸。數據在內部移位寄存器中移位，當檢測到應答，TXRDY位置位，直到TWI_THR中有新數據寫入，才清除該位。主機產生STOP 狀態來結束傳輸。設置START 后開始讀序列。當狀態寄存器中RXRDY 位置位時，接收保持寄存器(TWI_RHR)以收到一個字符。當讀TWI_RHR 時RXRDY 位復位。
TWI接口可執行多種傳輸格式：7位從機地址和10位從機地址。通過主機模式寄存器TWI_MMR配置三個內部地址字節。若從機僅支持7 位地址，IADRSZ 必須置為0。若從機地址大于7 位，用戶必須配置地址大小IADRSZ 并在內部地址寄存器TWI_IADR中設置其他從機地址位。
X1227的設備驅動實現
X1227 是一個帶有時鐘、日歷、CPU 監控電路和兩路查詢報警的實時時鐘。時鐘使用一個低成本的32.768kHz 的晶體作為輸入，可精密地用秒、分鐘、小時、日期、星期、月、年來顯示時間，它可以自動調整閏年至2096年。同時X1227有一個看門狗定時器、3個超時時間可供選擇。另外，X1227有一個4K位的EEPROM陣列，可用作某些用戶配置數據的存儲器。下面以X1227為例，說明一個具體的I2C設備驅動程序的設計要點。
如前所述，I2C總線驅動只是提供了對一條總線的讀寫機制，本身并不會去做通信。通信是由I2C設備驅動來做的，設備驅動透過I2C總線同具體的設備進行通訊。一個設備驅動有兩個模塊來描述，struct i2c_client和struct i2c_driver。i2c_client用來描述一個具體的I2C設備，i2c_driver結構提供了i2c_adapter與i2c_client之間的通信方式。
struct i2c_driver x1227_driver = {
name: 襒1227?
id: I2C_DRIVERID_X1227,
flags: I2C_DF_NOTIFY,
attach_adapter: x1227_probe,
detach_client: x1227_detach,
command: x1227_command
};
其中：attach_adapter利用適配器驅動提供的I2C總線訪問方法，利用設備驅動程序模塊中提供的地址線索信息，檢測可能存在的設備及其地址。如果成功發現設備，則創建一個struct i2c_client來標識這個設備，并向該適配器的數據結構注冊。detach_client用于從總線上注銷設備、并釋放i2c_client及相應的私有數據結構。command是用戶接口中的ioctl功能的底層實現。
I2C設備驅動需要實現兩個方面的接口，一個是對I2C core框架的接口，設備初始化時通過函數i2c_add_driver調用，來實現驅動的注冊。這個i2c_driver一旦裝入完成，其中的attach_adapter函數就會被調用。
另一個是對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準文件操作的接口函數。每個設備驅動程序都有一個稱為file_operations的數據結構，用來實現接口函數。
static struct file_operations rtc_fops = {
owner: THIS_MODULE,
ioctl: x1227_rtc_ioctl,
open: x1227_rtc_open,
release: x1227_rtc_release,
};
其中open和release用來打開和關閉X1227，x1227_rtc_ioctl則向用戶提供的一系列控制時鐘芯片的具體命令：RTC_GET_TIME(以固定的數據格式讀取實時時鐘的時間)、RTC_SET_TIME(以固定的數據格式設定實時時鐘的時間)以及E2PROM讀寫等。
對于X1227，一般注冊為一個miscdevice設備(所有miscdevice設備共同一個主設備號，不同的次設備號)。
static struct miscdevice x1227_rtc_miscdev = {
RTC_MINOR,
tc?
&rtc_fops
};
初始化時，通過misc_register (&x1227_rtc_miscdev)注冊X1227，這樣用戶程序可以通過主設備號10 次設備號 135的設備節點/dev/rtc來訪問X1227。
要測試X1227的時鐘功能，首先把AT91RM9200的I2C總線驅動模塊和X1227模塊在系統啟動時先后加載。需要指出的是，Linux將時鐘分為系統時鐘和硬件時鐘兩種。系統時鐘是指當前Linux Kernel中的時鐘，而硬件時鐘則是主板上由電池供電的那個主板硬件時鐘，也就是本文中的X1227。
在Linux中，用于時鐘查看和設置的命令主要有date、hwclock。首先設置系統時鐘，比如設置為2006年8月17日12點30分：date 081712302006，然后設置硬件時鐘為當前系統時鐘時間，使用命令/sbin/hwclock 衧ystohc，則X1227中的時間設置為當前系統時間。然后，通常在操作系統啟動時設置啟動腳本/sbin/hwclock 衕ctosys，利用X1227內的時間更新系統時鐘，然后直到重啟或關閉系統，由系統時鐘來記錄時間。
結語
本文介紹了I2C總線適配器及I2C設備驅動的實現。該設計成功用于某網絡測試設備的主控模塊上，實現了設備的實時時鐘功能，便于整個系統的監控。I2C總線在目前的嵌入式領域中應用非常廣泛，如音/視頻的控制，存儲設備的通訊等，而Linux也已成為嵌入式系統的主流。從linux內核看，I2C的驅動程序具有清晰的層次結構，為編程者開發I2C相關驅動提供了規范的框架。