【導(dǎo)讀】I2C總線控制簡(jiǎn)單、通信速率高，作為一種2線雙向同步串行數(shù)據(jù)總線，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種完善的集成電路間的串行總線擴(kuò)展技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本文介紹了Linux下I2C總線EEPROM驅(qū)動(dòng)程序的一般設(shè)計(jì)方法。
I2C 總線是由2線式串行的總線，用于連接微控制器以及其外圍設(shè)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(jiǎn)單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上，通過(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)象。
筆者在開(kāi)發(fā)基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，I2C總線控制器的類型比較多，對(duì)系統(tǒng)提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設(shè)備主要有微控制器、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換器等。MPC8250處理器正是通過(guò)內(nèi)部的I2C總線控制器來(lái)和這些連接在I2C總線上的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)采用了獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)。使開(kāi)發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與開(kāi)發(fā)一般設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法具有很大差別。因此，開(kāi)發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序除了要涉及一般Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的知識(shí)外。還要對(duì)I2C總線驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)有深入的了解。筆者在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用設(shè)備型號(hào)為AT24C01A的EEPROM來(lái)測(cè)試I2C總線驅(qū)動(dòng)。
在介紹I2C總線結(jié)構(gòu)之前。要搞清楚兩個(gè)概念：I2C總線控制器和I2C設(shè)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(shí)序，這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設(shè)備是指通過(guò)I2C總線與微控制器或微處理器相連的設(shè)備，如EEPROM、LCD驅(qū)動(dòng)器等，這里指EEPROM.
在一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設(shè)備；與總線相連的I2C設(shè)備為AT24C01A型EEPROM，作為從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。總線必須由主設(shè)備控制，主設(shè)備產(chǎn)生串行時(shí)鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。
I2C總線控制器
I2C使用由串行數(shù)據(jù)線SDA和串線時(shí)鐘線SCL組成的兩線結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器和一個(gè)控制單元。發(fā)送和接收單元使用相同的時(shí)鐘信號(hào)，如果I2C為主設(shè)備。那么時(shí)鐘信號(hào)由I2C的波特率發(fā)生器產(chǎn)生；如果I2C為從設(shè)備，時(shí)鐘信號(hào)則由外部提供。
SDA和SCL為雙向的，通過(guò)外部+3.3 V上拉電阻連接至正向電壓。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，SDA和SCL都應(yīng)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(shí)，數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器到移位寄存器，以時(shí)鐘速率輸出到SDA線；在數(shù)據(jù)接收時(shí)，數(shù)據(jù)從SDA線進(jìn)入移位寄存器，然后進(jìn)入接收寄存器。
I2C總線控制器和EEPROM的基本操作
I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有3種類型的信號(hào)，分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。
開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)；
結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數(shù)據(jù)結(jié)束；
應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的設(shè)備在接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)出特定的低電平脈沖。表示已收到數(shù)據(jù)。
當(dāng)MPC8250的I2C總線空閑時(shí)，其SDA和SCL均為高電平，主設(shè)備通過(guò)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。這個(gè)信號(hào)的時(shí)序要求是當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA出現(xiàn)一個(gè)由高到低的電平跳變。在起始條件之后。必須是從設(shè)備的地址字節(jié)，其中高4位為器件類型識(shí)別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著3位為片選，最后1位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作，如圖2所示。
圖2 EEPROM設(shè)備地址字節(jié)結(jié)構(gòu)
如果主設(shè)備要向EEPROM中寫數(shù)據(jù)，在地址字節(jié)中主設(shè)備向EEPROM發(fā)出一個(gè)寫請(qǐng)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后EEPROM就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，主設(shè)備也會(huì)監(jiān)控應(yīng)答信號(hào)，如果在發(fā)送一個(gè)字節(jié)后EEPROM沒(méi)有返回應(yīng)答信號(hào)，則主設(shè)備就會(huì)停止發(fā)送，并生成一個(gè)結(jié)束信號(hào)。寫操作的時(shí)序如圖3所示。
圖3 I2C主設(shè)備寫操作時(shí)序
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要從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)設(shè)置R/W=1.在EEPROM發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，主設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來(lái)響應(yīng)，告知EEPROM主設(shè)備要求更多的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)主設(shè)備產(chǎn)生的每個(gè)應(yīng)答信號(hào)EEPROM將發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)主設(shè)備不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)并隨后發(fā)送結(jié)束信號(hào)位時(shí)結(jié)束此操作。讀操作的時(shí)序如圖4所示。
圖4 I2C主設(shè)備讀操作時(shí)序
Linux中I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)
在Linux系統(tǒng)中，對(duì)于一個(gè)給定的I2C總線硬件配置系統(tǒng)，I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)由I2C總線驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成。其中I2C總線驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)具體的控制器驅(qū)動(dòng)和I2C總線的算法驅(qū)動(dòng)。一個(gè)算法驅(qū)動(dòng)適用于一類總線控制器。而一個(gè)具體的總線控制器驅(qū)動(dòng)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(jiàn)處理器如MPC82xx系列的算法驅(qū)動(dòng)。對(duì)于I2C設(shè)備，基本上每種具體設(shè)備都有自己的基本特性。其驅(qū)動(dòng)程序一般都需要特別設(shè)計(jì)。
在I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)中。使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Driver來(lái)表示I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Client表示一個(gè)具體的I2C設(shè)備。而對(duì)于I2C總線控制器，各種總線控制器在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)中，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Algorithm來(lái)表示算法，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Adapter來(lái)表示不同的總線控制器。Linux內(nèi)核的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)
在圖5中，一個(gè)Client對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的I2C總線設(shè)備，而一種I2C設(shè)備的Driver可以同時(shí)支持多個(gè)Client.每個(gè)Adapter對(duì)應(yīng)一個(gè)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(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的核心，在這個(gè)模塊中，除了為總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了一些統(tǒng)一的調(diào)用接口來(lái)訪問(wèn)具體的總線驅(qū)動(dòng)程序功能，以進(jìn)行讀寫或設(shè)置操作外，還提供了將各種支持的總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)和總線驅(qū)動(dòng)添加到這個(gè)體系中的方法，以及當(dāng)不再使用這些驅(qū)動(dòng)時(shí)將其從體系中刪除的方法。i2c-core將總線驅(qū)動(dòng)程序體系一分為二，相互獨(dú)立。可以針對(duì)某個(gè)I2C總線設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而不需要關(guān)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(shè)計(jì)I2C總線驅(qū)動(dòng)時(shí)也可以不要考慮其將用來(lái)支持何種設(shè)備。因?yàn)閕2c-core提供了統(tǒng)一的接口，所以也為設(shè)計(jì)這兩類驅(qū)動(dòng)提供了方便。
開(kāi)發(fā)實(shí)例
Linux內(nèi)核已經(jīng)提供了I2C驅(qū)動(dòng)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(shè)備所需要的核心模塊。對(duì)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(rèn)條件下是不會(huì)被編譯到內(nèi)核里的，所以需要在配置Linux內(nèi)核時(shí)把這些模塊選中。在筆者的開(kāi)發(fā)中需要實(shí)現(xiàn)的是I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備EEPROM驅(qū)動(dòng)。
I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
MPC8250的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序由i2c-algo-8260算法模塊和MPC8250具體的I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)組成。其中i2c-algo-8260算法模塊已經(jīng)在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，所以主要實(shí)現(xiàn)FC總線控制器驅(qū)動(dòng)。
i2c-algo-8260算法模塊主要用來(lái)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(shí)現(xiàn)了MPC82xx處理器上I2C總線的初始化、讀寫、ioctl控制和中斷請(qǐng)求等功能。另外，還有i2c_8260_add_bus和i2c_8260_del_bus兩個(gè)函數(shù)，它們是使用這個(gè)算法的Adapter初始化時(shí)和退出時(shí)調(diào)用的函數(shù)，用來(lái)注冊(cè)和注銷一個(gè)總線控制器，需要從模塊導(dǎo)出。這些函數(shù)功能都被封裝在一個(gè)i2c-algorithm結(jié)構(gòu)中，傳遞給使用這個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作。
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在I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)模塊中主要要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體i2c_adapter和i2c_algo_8260_data，定義這兩個(gè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來(lái)初始化struct i2c_adapter結(jié)構(gòu)的algo_data成員變量。其中，定義i2e_algo_8260_data結(jié)構(gòu)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(qǐng)中端請(qǐng)求的功能。結(jié)構(gòu)體i2c_adapter定義如下：
struct i2c_adapter rw8250_ops={"rw8250"，I2C_HW_
MPC8250_RW8250，NULL，
其中，"rw8250"是該總線控制器的標(biāo)識(shí)名，宏名I2C_HW_MPC8250_RW8250定義了內(nèi)核中注冊(cè)該適配器的ID號(hào)，而成員函數(shù)rw8250_inc_use和rw8250_dec_use用來(lái)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(gè)注冊(cè)模塊時(shí)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(hào)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(jìn)行模塊初始化時(shí)將被init_module調(diào)用。
總之。I2C控制器模塊中設(shè)計(jì)的這些函數(shù)都是為i2c_algo_8650算法模塊服務(wù)的。最后需要封裝在i2c-adapter結(jié)構(gòu)中。通過(guò)i2c_algo_8260_data算法模塊中輸出的接口函數(shù)傳遞給算法模塊。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
I2C設(shè)備EEPROM驅(qū)動(dòng)除了要根據(jù)EEPROM的具體特性進(jìn)行設(shè)計(jì)外。還要考慮I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的特性。在EEPROM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)i2c_driver結(jié)構(gòu)。每個(gè)對(duì)應(yīng)于具體設(shè)備的Client都從這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造。在i2c_driver結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)函數(shù)attach_adapter和detach_client必須要實(shí)現(xiàn)。i2c_driver結(jié)構(gòu)的定義如下：
struct i2c_driver eeprom_driver = {
/*name*/ "I2C_EEPROM_DRIVER"，/*id*/I2C_DRIVERID_EEPROM，
/*flags*/ I2C_DF_NOTIFY，/*attach_ adapter*/
/*command*/
｝；
在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中。向EEPROM寫數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用i2c-core提供的i2c_master_send函數(shù)來(lái)完成。從EEPROM讀取數(shù)據(jù)通過(guò)另一個(gè)函數(shù)i2c_master_read來(lái)完成。與一般設(shè)備驅(qū)動(dòng)不同的地方就是在EEPROM驅(qū)動(dòng)模塊初始函數(shù)中要調(diào)用i2c-core提供的i2c_add_driver函數(shù)來(lái)注冊(cè)該設(shè)備。在模塊退出函數(shù)中調(diào)用i2c_del_driver函數(shù)來(lái)注銷該設(shè)備。
Linux作為一種新的操作系統(tǒng)，目前在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。其發(fā)展前景無(wú)法估量。由于Linux源碼開(kāi)放，且非常易于移植，為其編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)容易。
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