Linux下I2C設備驅動的一種適配器層直接實現方法

楊文鉑，邢鵬康

（河南工業職業技術學院，南陽 473000）

1 概 述

I2C總線作為一種接口標準最早由Philips公司提出，因其優良的性能在電子工業中得到了廣泛的應用。在嵌入式Linux系統下，標準的I2C驅動為分層架構，由上至下依次是設備層、核心層和適配器層。這種多層架構有效滿足了Linux下多設備、多任務并行工作的要求，但同時也使I2C設備驅動的開發變得非常復雜。本文探討了一種在I2C設備串行工作的情況下，直接在適配器層實現的I2C驅動方法，這將有效簡化Linux下I2C設備驅動的開發。這里基于ARM9的S3C2440芯片和2.6.30核心的嵌入式Linux系統平臺進行分析。

2 I 2C總線及時序

I2C設備分為主機及從機。主機即主控芯片內的I2C適配器，它完成基本的時序控制功能，如起始、傳輸數據、停止等。從機即外圍I2C芯片，它是被主機尋址的器件，接收主機發送的命令和數據，返回相應的數據。按數據流的方向又可將I2C設備分為發送器或接收器。常用的數據傳輸模式主要有兩種：主機發送模式，此時主機為發送器，從機為接收器；主機接收模式，此時主機為接收器，從機為發送器。一個設備是發送器還是接收器，取決于實際數據流的方向。一個完整的主機讀或寫過程稱為一個消息，每一個消息都必須有一個起始信號（S）來指示其開始，起始信號由主機發出。在SCL線是高電平時SDA線從高電平向低電平切換，這個情況表示起始條件。如果一個I2C通信過程是主機多個讀寫過程的組合，則要有多個消息，需重復發出起始信號。在每個消息中，主機發出起始信號后都要接著發送從機地址字節，這個字節前7位代表從設備物理地址，最低位R／W決定了數據流的方向，如果是0，表示主機寫數據到從機，1表示主機向從機讀。發送到SDA總線上的數據必須是8位，但是每次發送的字節數不受限制。數據傳輸必須帶應答（ACK），應答脈沖由接收器產生，在應答的時鐘脈沖期間，發送器釋放SDA線。通常被尋址的接收器在接收到每個字節后，必須產生一個應答，才能正常通信。最后，需要由主機發出一個停止信號，結束整個通信過程，使總線回到空閑狀態，當SCL是高電平時SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件。基本I2C總線時序如圖1所示。

圖1 基本I 2 C總線時序

3 主機適配器及基本I 2C時序的實現

3.1 S3C2440的I 2C適配器

S3C2440中I2C適配器中的寄存器主要有IICDS、ICSTAT、IICCON、IICADD等。IICDS寄存器為一個8位的移位寄存器，待發的數據先送至此寄存器，在起始信號發出后，將數據逐位發送到SDA總線上。

IICSTAT為狀態寄存器，主要實現I2C總線的信號發生功能，如下所示。其中第6、7位是模式選擇位，可決定4種模式，分別是主機發送、主機接收、從機發送、從機接收等。第5位是一個讀寫位，在讀時如果為0表明總線空閑，如果為1表明總線正忙。如果向其寫1，則主機將會發送開始信號，如果向其寫0，則主機將發送停止信號。

模式選擇忙、停止、起始狀態輸出允許 仲裁位 從片地址狀態地址零狀態最后接收位7∶6 5 4 3 2 1 0

IICCON為一個8位寄存器，主要實現I2C總線的一些配置功能，如下所示。應答設置位控制是否應答，低4位和第6位共同決定了發送時鐘的頻率。

應答設置發送時鐘源選擇發送／接收中斷中斷掛起標志傳輸時鐘選擇7 6 5 4 3∶0

3.2 I 2C基本時序的實現

I2C的時序及操作模式都可通過配置主機適配器的方式實現，I2C的基本時序包括起始信號、從機地址、發送數據、讀數據、應答信號、停止信號等。操作模式主要包括主機讀、主機寫、從機讀、從機寫等。以此為基礎，可以通過在總線上組合傳輸起始信號、地址信號、停止信號等，來實現任意復雜的I2C通信功能。

操作模式：通過寫IICSTAT寄存器的高兩位操作設置。

起始信號：向IICSTAT寄存器的第5位寫1后，將會在總線上發出一個起始信號。

從機地址：這個從機地址需要在發起始信號前寫入移位寄存器IICADD中去。IICADD物理地址為0x54000008，8位，高7位保存地址，最低位R／W為讀寫控制位。

應答信號：由接收器在接到發送器發送的地址或有效數據后發出，如果接收器配置為允許應答，則收到數據后將自動應答，應答設置位在IICCON的最高位，寫1為允許應答，寫0為禁止應答。

主機發送數據：待發送的數據需事先寫入IICDS寄存器中，當發送條件滿足后（起始信號發出，或TX／RX中斷標志位清除后等），IICDS中的數據將自動移位發送。

主機接收數據：在收到總線上的一字節數據后，將存儲于IICDS中。主機可通過查詢IICCON中的中斷標志位來確定是否接收成功一個字節。如果主機不發送應答信號，則從機將一直處于等待狀態。數據接收完畢后如果不清除中斷掛起位，I2C通信將進入暫停狀態。

停止信號：停止信號的發出由IICSTAT寄存器的第5位清零來實現。

4 Linux下在適配器層中驅動的實現

下文結合LM75傳感器采集溫度的例子具體說明這種方法在Linux下的實現過程。

4.1 LM75傳感器簡介

LM75為支持I2C協議的數字式溫度傳感器，可多達8個傳感器共享一根總線，可在環境超過設定溫度時通知主控制器，測溫精度為0.5℃，轉換后的溫度值用2字節保存。LM75的溫度字節讀取時序如圖2所示。

4.2 LM75的適配器層驅動程序實現

可以在Linux底層驅動中對I2C寄存器組進行直接操作，根據LM75的時序要求組合I2C基本時序，實現LM75的模式設置及溫度采集功能，程序流程如圖3所示。

以下是在適配器層的部分驅動函數代碼：

圖2 LM75的溫度字節讀取時序

圖3 LM75時序的底層實現流程

4.3 適配器層與應用層接口

在驅動函數完成后還要在適配器層填充一個file＿operations的數據結構，由于用戶空間不能直接調用適配器層中的函數，驅動函數需要映射為應用層的函數，這個數據結構提供了驅動層函數在應用層的函數接口。

適配器層驅動函數iic＿LM75＿read被映射為應用層的接口函數read，以為應用層所調用。按上述方法構建的I2C驅動在Linux下以普通設備驅動的形式加載，在加載的過程執行初始化操作，通過 MKDEV（）函數創建主設備節點并分配設備號，通過I2C＿setup＿dev（）函數實現驅動層到應用層函數的映射。在應用層調用適配器層驅動時，須首先用open（）函數打開dev中的主設備，在open過程中配置各個I2C功能寄存器，配置輸入／輸出端口，完成后，將獲得一個設備節點fd，以此節點作為驅動接口的設備參數傳入，便可調用底層的驅動函數。

5 小 結

實踐證明，在嵌入式Linux環境下，適配器層直接實現I2C設備驅動的方法，構造簡單，可靠性高，占用資源少，對不同設備的適應性強，可有效提高I2C設備驅動開發的效率。

［1］I2C 總線規范［OL］.［2011－01］.www.zlgmcu.com／download／down.asp？ID＝780.

［2］Samsung Electronics.S3C2440 32－BIT CMOS Microcontroller User's Manual Revision 1，2004.

［3］安森美半導體.LM75－2線串行溫度傳感器和監視器，2006.

［4］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah－Hartman.Linux Device Drivers［M］.3rd Edition.O'Reilly，2005.

［5］李俊.嵌入式Linux設備驅動開發詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2008.