ARM-Linux中I2C總線驅動開發

高非非，劉辛國

（北京建筑工程學院 電氣與信息工程學院，北京 100044）

I2C總線是一種串行數據傳輸標準總線，使用數據線SDA和時鐘線SCL就可實現設備間的數據交互，它使得電路系統結構設計簡單，具有使用方便、通信速率高等優點。因此，在嵌入式系統中，I2C總線被廣泛地應用在與RAM、EEPROM、RTC等設備間的接口電路中。近年來，隨著嵌入式系統應用不斷升溫，Linux憑借源碼開放、內核穩定以及可裁剪性強等優點成為在通信、工業控制、消費電子等領域的主流操作系統。而Linux設備驅動程序是所有Linux應用系統中不可或缺的組成部分，是現在Linux開發中的熱門領域。Linux內核已經把I2C總線協議定義為內核驅動的一部分，并形成了一種體系結構。本文正是在研究I2C總線驅動體系結構基礎上，提出了其在S3C2410中實現的基本方法。

1 I2C總線

I2C總線是由雙向數據傳輸線SDA和時鐘線SCL構成的二線制串行總線，可構成主從和多主系統。I2C總線多采用主從雙向通信，即總線上在某一時刻只有一個主設備，總線上的其他設備都作為從設備。任何能夠進行發送和接收的設備都可以成為主設備，但是在同一時間內只能有一個設備作為主設備（通常為微控制器），其他每個I2C器件作為從設備與主設備進行通信，它們都有唯一的地址用來識別。

I2C總線的時序圖[1]如圖1所示。

圖1 I2C總線的時序圖

從圖1可以看到，I2C總線在傳送數據過程中使用了三種信號[2]。（1）開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開始傳送數據；（2）應答信號：從設備在接收到1 B數據后，向主設備發出一個低電平脈沖應答信號，表示已收到數據，主設備根據從設備的應答信號做出是否繼續傳輸數據的操作（I2C總線每次數據傳輸時字節數不限制，但是每發送1 B都要有一個應答信號）；（3）結束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，表示數據傳送結束。

I2C總線具體的通信工作原理如下：主設備首先發出開始信號，接著發送1 B的數據，其由高7 bit地址碼和最低1 bit方向位組成 （方向位表明主設備與從設備間數據的傳送方向）。系統中所有從設備將自己的地址與主設備發送到總線上的地址進行比較，如果從設備地址與總線上的地址相同，該設備就是與主設備進行數據傳輸的設備。接著進行數據傳輸，根據方向位，主設備接收從設備數據或發送數據到從設備。當數據傳送完成后，主設備發出一個停止信號，釋放I2C總線，然后所有從設備等待下一個開始信號的到來。

2 系統硬件設計

2.1 Linux驅動程序

設備驅動程序是Linux內核的重要組成部分，是操作系統內核與底層硬件之間的接口。在ARM系統中，每個物理設備都有自己的控制器，每個硬件控制器都有自己的控制狀態寄存器（CSR），并且各不相同。這些寄存器用來啟動、停止、初始化設備，并對設備進行診斷，對硬件的控制主要是針對這些寄存器進行操作。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的底層細節，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個文件，應用程序通過對應的設備驅動程序中定義的通信接口（write、read和ioctl等）像操作普通文件一樣實現對硬件設備的操作，簡化了對設備的訪問，使得應用程序的編寫相對簡單。

設備驅動程序一般有以下功能[3]：對硬件設備的初始化、加載和釋放；對設備進行管理，包括實時參數設置以及提供對設備的統一操作接口；讀取應用程序傳遞給設備文件的數據或回送應用程序請求的數據；檢測或處理設備出現的錯誤等。

Linux內核將打開、關閉、讀/寫和ioctl等所有相關操作封裝在一個結構體file_operations中，設備驅動程序利用結構體file_operations與文件系統聯系起來。另外還要使用 module_init（）和 module_exit（）兩個宏。 module_init（）的本質是在.initcall.init段使用空間中定義的一個指向初始化函數的指針。設備驅動程序通過調用代碼段中設備初始化函數，完成初始化硬件和向內核注冊設備驅動程序。 module_exit（）功能與 module_init（）相反。

2.2 I2C總線驅動體系結構

直接數字頻率合成器（DDS）是一種產生模擬波形的方法，其通常是通過數字形式的時間轉換信號再執行數模轉換產生正弦波。因為DDS設備的運行基于數字，所以能夠在輸出頻率、正弦波頻率分解和運行于寬頻率頻譜之間相互轉換。本系統采用DDS AD9833作為超聲波發射單元的脈沖生成器，AD9833是可編程的，通過高速串口外圍接口（SPI），只需要一個外部時鐘去產生簡單的正弦波就可以工作了。AD9833可以在基于25 MHz的時鐘下產生 0～12.5 MHz的波形[6]。

I2C設備在Linux下完全可以作為一個字符設備，可以根據需要編寫一個字符設備驅動程序來支持I2C通信。但是由于I2C總線是一種標準總線，在PC和嵌入式系統中都得到了廣泛的應用，Linux專門為I2C總線定義了I2C驅動程序體系結構[4]，使驅動程序有統一的接口，方便了驅動設計者設計，也便于移植。

在Linux系統中，I2C總線驅動體系由I2C核心、總線適配器驅動和設備驅動三部分組成。

（1）I2C 核心

I2C核心即i2c-core.c，是Linux內核用來維護和管理的I2C總線的核心部分，實現了I2C總線驅動的框架。I2C核心為總線提供了統一的接口函數，實現了I2C總線驅動和設備驅動的注冊、注銷及通信等功能。I2C核心是I2C總線適配器驅動和設備驅動之間的橋梁。

（2）I2C總線適配器驅動

I2C總線適配器驅動主要包括了對應具體硬件I2C控制器的I2C總線適配器i2c_adapter以及I2C總線適配器的通信傳輸算法i2c_algorithm以及總線驅動控制適配器通信函數等，為I2C核心提供了底層支持，是與硬件相關的。需要注意的是，I2C總線驅動程序只是提供了I2C總線的讀寫方法，其本身并不進行任何通信，它只是等待設備驅動調用其函數來對具體的硬件設備進行訪問。

（3）I2C設備驅動程序

I2C設備驅動程序通過I2C總線適配器驅動與具體的硬件設備進行通信。I2C設備驅動程序中主要包括了數據結構 i2c_driver（用于管理 i2c_client）、i2c_client（掛在I2C總線上的設備驅動程序）和需要根據具體設備實現的成員函數。標準的I2C驅動程序也是一個字符設備驅動程序，通過i2c-dev.c來進行管理，包括open、release、read、write、ioctl和 lseek 等。

Linux內核I2C總線驅動程序構架如圖2所示，其反映了I2C總線驅動體系間的關系。

圖2 Linux內核I2C總線驅動程序構架

3 S3C2410中I2C總線驅動程序的實現

S3C2410處理器集成了I2C總線控制器，支持主、從模式，通過對它的 4個寄存器 I2CCON、I2CSTAT、I2CDS和I2CADD的操作就可以方便地對I2C總線進行控制。此外，S3C2410還為I2C總線提供了一個中斷號為27的I2C總線中斷，這樣可以在編寫數據發送和接收程序時使用中斷來完成。

由于I2C核心提供了統一的、不需要修改的接口函數，因此驅動程序開發者只需要實現特定的I2C總線適配器驅動和I2C設備驅動，這樣大大提高了嵌入式Linux的I2C總線驅動程序的移植性[5]。

3.1 I2C總線適配器驅動的實現

對于S3C2410上的I2C總線驅動程序，按照I2C驅動程序體系結構與硬件的對應關系，首先需要給S3C2410的I2C控制器添加對應的I2C總線適配器驅動程序，即填充結構體i2c_adapter。其通過i2c-core中的接口函數i2c_add_adapter將i2c_adapter和i2c_algorithm注冊到操作系統中。

再者，實現S3C2410中I2C適配器的通信方法，主要實現 i2c_algorithm中處理 I2C消息的函數 master_xfer（）。master_xfer（）負責 S3C2410中I2C控制器的寄存器，用于產生I2C訪問周期需要的函數，以i2c_msg（即I2C消息）為單位，以此控制I2C總線發送和接收數據的方法。另外，函數需實現functionality（）函數，其只返回一個algorithm所支持的通信傳輸模式，較容易實現。

3.2 設備驅動程序的實現

首先在芯片的總線適配器驅動程序中需要實現一個i2c_driver結構并設置I2C芯片的初始化和卸載函數，實 現 i2c_driver中 的 數 據 成 員 attach_adapter和detach_client。初始化時，向系統注冊一個I2C字符設備，接著使用函數i2c_add_driver（）注冊一個 I2C驅動管理結構體 i2c_driver，使I2C芯片相應結構中的成員attach_adapter執行，進而調用I2C核心的 i2c_probe（）遍歷所有的i2c_adapter，當地址參數與芯片設備地址一致時，則會調用結構i2c_driver中detach_client成員函數來初始化芯片的i2c_client結構，最后通過I2C核心提供的i2c_attach_client向I2C總線適配器i2c_adapter來注冊該芯片的I2C設備[6]。I2C總線識別這個設備后就會調用相應的i2c_driver驅動該設備。

在應用層實現用戶程序訪問I2C設備的結構file_operations接口函數，包括打開、釋放、讀/寫和 ioctl等標準文件操作的接口函數。open（）和release（）這兩個函數已經在內核中實現，read（）和 write（）函數用來實現用戶和系統內核之間相互傳遞數據，進而實現對設備的讀寫操作，它們分別調用了I2C核心的 i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函數來構造一條I2C消息并在一個讀寫周期內進行傳輸。ioctl（）函數則用來向用戶提供一些命令以控制具體芯片設備，因為不同芯片實現數據傳遞需要的時序是不同的，針對具體的芯片，應用程序需要通過構造i2c_rdwr_ioctl_data結構體來給內核傳遞一條或數條I2C消息，從而實現控制數據傳輸的讀寫周期。

I2C總線由于具有電路結構簡單、使用方便、通信速率高等優點，已在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。本文在介紹了I2C總線和分析了Linux系統下I2C總線的體系結構基礎上，以S3C2410為例，給出了在其中編寫I2C總線驅動程序的基本開發過程。

[1]朱瑜亮，黃曉革.數字溫度傳感器 DS1621在 Linux下的I2C接口驅動設計[J].電子設計工程，2011，19（2）：133-136.

[2]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.

[3]BECK M，BOHME H，DZIADZKA M，等.Linux內核編程指南[M].張瑜，楊繼萍，等，譯.北京：清華大學出版社，2004.

[4]劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]李祥兵，鄭扣根.Linux中I2C總線驅動程序的開發[J].計算機工程與設計，2005，26（1）：41-43.

[6]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.