來(lái)源：電子產(chǎn)品世界  作者：新太科技股份有限公司(廣州) 賈東耀

摘要： 本文分析了Linux系統(tǒng)中I2C驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)，并以AT91RM9200和X1227為例，介紹了如何在嵌入式Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)I2C總線適配器及I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
關(guān)鍵詞： Linux；I2C總線；I2C設(shè)備；驅(qū)動(dòng)

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(shè)備，具有簡(jiǎn)單、高效等特點(diǎn)。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(shù)量，降低了互聯(lián)成本，特別適用于嵌入式產(chǎn)品。

而Linux系統(tǒng)具有開(kāi)源、免費(fèi)、網(wǎng)上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為嵌入式系統(tǒng)的主流選擇。因此如何在嵌入式Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)I2C功能成為實(shí)際開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題。

I2C總線

I2C 總線通過(guò)串行數(shù)據(jù)SDA 和串行時(shí)鐘SCL線在連接到總線的器件間傳遞信息，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功能不同，把器件分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件，通常是微控制器。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)，例如LCD驅(qū)動(dòng)器、E2PROM等。

I2C總線協(xié)議規(guī)定，各主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)都要有起始、結(jié)束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號(hào)。這些信號(hào)都是通信過(guò)程中的基本單元。起始信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從高變化到低；停止信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從低變化到高；應(yīng)答信號(hào)是在SCL為高時(shí)SDA為低；非應(yīng)答信號(hào)相反，是在SCL為高時(shí)SDA為高。

總線傳送的每1幀數(shù)據(jù)均是1個(gè)字節(jié)。協(xié)議規(guī)定，在啟動(dòng)總線后的第1個(gè)字節(jié)的高7位是對(duì)從機(jī)的尋址地址，第8位為方向位(“0”表示主機(jī)對(duì)從機(jī)的寫操作；“1”表示主機(jī)對(duì)從機(jī)的讀操作)，其余的字節(jié)為操作數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送過(guò)程是：在I2C總線發(fā)送起始信號(hào)后，發(fā)送從機(jī)的7位尋址地址和1位表示這次操作性質(zhì)的讀寫位，在有應(yīng)答信號(hào)后開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送停止信號(hào)。主機(jī)每發(fā)送1個(gè)字節(jié)就要檢測(cè)SDA線上有沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)，有則繼續(xù)發(fā)送，否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

Linux中I2C總線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)對(duì)I2C總線具有很好的支持。與硬件物理連接相對(duì)應(yīng)的，Linux的I2C框架中各個(gè)部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架

內(nèi)核中I2C相關(guān)代碼可以分為三個(gè)層次：
1. I2C core框架：提供了核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和相關(guān)接口函數(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)I2C適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)、注銷管理，以及I2C通信方法上層的、與具體適配器無(wú)關(guān)的代碼，為系統(tǒng)中每個(gè)I2C總線增加相應(yīng)的讀寫方法。

2. I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)：定義描述具體I2C總線適配器的i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)在具體I2C適配器上的I2C總線通信方法，并由i2c_algorithm數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

3. I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)：定義描述具體設(shè)備的i2c_client和可能的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、借助I2C core提供的函數(shù)接口完成設(shè)備在內(nèi)核的注冊(cè)，并實(shí)現(xiàn)具體的功能，包括read, write以及ioctl等對(duì)用戶層操作的接口。

總體而言，Linux中I2C總線的驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)部分：總線驅(qū)動(dòng)(BUS)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)(DEVICE)。I2C core與I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)完成了硬件上的主機(jī)總線驅(qū)動(dòng)(BUS)，而I2C driver則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，I2C core提供的接口是統(tǒng)一的，不需要修改，我們只需要實(shí)現(xiàn)特定I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這樣大大提高了系統(tǒng)的可移植性。
 
筆者在某個(gè)產(chǎn)品中曾用AT91RM9200和X1227構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊。在該設(shè)計(jì)中，AT91RM9200作為I2C的主機(jī)部分，X1227作為從機(jī)。下面以此為例，具體介紹這兩部分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

AT91RM9200 I2C總線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

AT91RM9200是ARM920T處理器，它提供標(biāo)準(zhǔn)的兩線接口TWI，即I2C接口，主機(jī)工作模式。通過(guò)TWI 控制寄存器TWI_CR設(shè)置I2C工作模式和狀態(tài)。時(shí)鐘由寄存器TWI_CWGR中編程值產(chǎn)生。該寄存器定義了TWCK 信號(hào)，使接口適應(yīng)寬范圍時(shí)鐘。

具體在linux中AT91RM9200 I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，首先初始化AT91RM9200 I2C的工作模式，然后裝載I2C總線驅(qū)動(dòng)，這需要兩個(gè)結(jié)構(gòu)模塊來(lái)描述：struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm。

初始化i2c_adapter結(jié)構(gòu)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(gè)模塊并未提供讀寫函數(shù)，具體的讀寫方法由第二個(gè)模塊struct i2c_algorithm提供。
static struct i2c_algorithm at91_algorithm = {
 name:  "at91 i2c",
 id:  I2C_ALGO_SMBUS,