嵌入式Linux系统中I2C总线设备的驱动设计

　引言

　　I2C总线是PHILIPS公司推出的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，具有简单、高效等特点。由于其接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片引脚的数量，降低了互联成本，特别适用于嵌入式产品。

　　而Linux系统具有开源、免费、网上资源丰富等优点，目前已成为嵌入式系统的主流选择。因此如何在嵌入式Linux系统中实现I2C功能成为实际开发中的问题。

　　I2C总线

　　I2C 总线通过串行数据SDA 和串行时钟SCL线在连接到总线的器件间传递信息，每个器件都有一个唯一的地址识别。根据数据传输时的功能不同，把器件分为主机和从机。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件，通常是微控制器。此时，任何被寻址的器件都被认为是从机，例如LCD驱动器、E2PROM等。

　　I2C总线协议规定，各主机进行通信时都要有起始、结束、发送数据和应答信号。这些信号都是通信过程中的基本单元。起始信号就是在SCL线为高时SDA线从高变化到低；停止信号就是在SCL线为高时SDA线从低变化到高；应答信号是在SCL为高时SD

A为低；非应答信号相反，是在SCL为高时SDA为高。

　　总线传送的每1帧数据均是1个字节。协议规定，在启动总线后的第1个字节的高7位是对从机的寻址地址，第8位为方向位(“0”表示主机对从机的写操作；“1”表示主机对从机的读操作)，其余的字节为操作数据。数据传送过程是：在I2C总线发送起始信号后，发送从机的7位寻址地址和1位表示这次操作性质的读写位，在有应答信号后开始传送数据，直到发送停止信号。主机每发送1个字节就要检测SDA线上有没有收到应答信号，有则继续发送，否则将停止发送数据。

　　Linux中I2C总线驱动结构

　　Linux系统对I2C总线具有很好的支持。与硬件物理连接相对应的，Linux的I2C框架中各个部分的关系如图1所示。

图1 Linux内核I2C总线驱动程序构架

　　内核中I2C相关代码可以分为三个层次：

　　1. I2C core框架：提供了核心数据结构的定义和相关接口函数，用来实现I2C适配器驱动和设备驱动的注册、注销管理，以及I2C通信方法上层的、与具体适配器无关的代码，为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。

　　2. I2C总线适配器驱动：定义描述具体I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构、实现在具体I2C适配器上的I2C总线通信方法，并由i2c_algorithm数据结构进行描述。

　　3. I2C 设备驱动：定义描述具体设备的i2c_client和可能的私有数据结构、借助I2C core提供的函数接口完成设备在内核的注册，并实现具体的功能，包括read, write以及ioctl等对用户层操作的接口。

　　总体而言，Linux中I2C总线的驱动分为两个部分：总线驱动(BUS)和设备驱动(DEVICE)。I2C core与I2C总线适配器驱动完成了硬件上的主机总线驱动(BUS)，而I2C driver则实现了从机设备驱动。在设计中，I2C core提供的接口是统一的，不需要修改，我们只需要实现特定I2C总线适配器驱动和I2C设备驱动，这样大大提高了系统的可移植性。

　　笔者在某个产品中曾用AT91RM9200和X1227构成嵌入式系统的时钟模块。在该设计中，AT91RM9200作为I2C的主机部分，X1227作为从机。下面以此为例，具体介绍这两部分驱动的实现。

　　AT91RM9200 I2C总线驱动实现

　　AT91RM9200是ARM920T处理器，它提供标准的两线接口TWI，即I2C接口，主机工作模式。通过TWI 控制寄存器TWI_CR设置I2C工作模式和状态。时钟由寄存器TWI_CWGR中编程值产生。该寄存器定义了TWCK 信号，使接口适应宽范围时钟。

　　具体在linux中AT91RM9200 I2C总线适配器驱动的实现，首先初始化AT91RM9200 I2C的工作模式，然后装载I2C总线驱动，这需要两个结构模块来描述：struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm。

　其中：attach_adapter利用适配器驱动提供的I2C总线访问方法，利用设备驱动程序模块中提供的地址线索信息，检测可能存在的设备及其地址。如果成功发现设备，则创建一个struct i2c_client来标识这个设备，并向该适配器的数据结构注册。detach_client用于从总线上注销设备、并释放i2c_client及相应的私有数据结构。command是用户接口中的ioctl功能的底层实现。

　　I2C设备驱动需要实现两个方面的接口，一个是对I2C core框架的接口，设备初始化时通过函数i2c_add_driver调用，来实现驱动的注册。这个i2c_driver一旦装入完成，其中的attach_adapter函数就会被调用。

　　另一个是对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C设备的接口，包括实现open，release，read，write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。每个设备驱动程序都有一个称为file_operations的数据结构，用来实现接口函数。

　　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用来打开和关闭X1227，x1227_rtc_ioctl则向用户提供的一系列控制时钟芯片的具体命令：RTC_GET_TIME(以固定的数据格式读取实时时钟的时间)、RTC_SET_TIME(以固定的数据格式设定实时时钟的时间)以及E2PROM读写等。

　　对于X1227，一般注册为一个miscdevice设备(所有miscdevice设备共同一个主设备号，不同的次设备号)。

　　static struct miscdevice x1227_rtc_miscdev = {
 RTC_MINOR,
 tc?
 &rtc_fops
};

　　初始化时，通过misc_register (&x1227_rtc_miscdev)注册X1227，这样用户程序可以通过主设备号10 次设备号 135的设备节点/dev/rtc来访问X1227。

　　要测试X1227的时钟功能，首先把AT91RM9200的I2C总线驱动模块和X1227模块在系统启动时先后加载。需要指出的是，Linux将时钟分为系统时钟和硬件时钟两种。系统时钟是指当前Linux Kernel中的时钟，而硬件时钟则是主板上由电池供电的那个主板硬件时钟，也就是本文中的X1227。

　　在Linux中，用于时钟查看和设置的命令主要有date、hwclock。首先设置系统时钟，比如设置为2006年8月17日12点30分：date 081712302006，然后设置硬件时钟为当前系统时钟时间，使用命令/sbin/hwclock 衧ystohc，则X1227中的时间设置为当前系统时间。然后，通常在操作系统启动时设置启动脚本/sbin/hwclock 衕ctosys，利用X1227内的时间更新系统时钟，然后直到重启或关闭系统，由系统时钟来记录时间。

　　结语

　　本文介绍了I2C总线适配器及I2C设备驱动的实现。该设计成功用于某网络测试设备的主控模块上，实现了设备的实时时钟功能，便于整个系统的监控。I2C总线在目前的嵌入式领域中应用非常广泛，如音/视频的控制，存储设备的通讯等，而Linux也已成为嵌入式系统的主流。从linux内核看，I2C的驱动程序具有清晰的层次结构，为编程者开发I2C相关驱动提供了规范的框架。

　　参考文献：

　　1. lessandro Rubini,Jonathan Corbet. Linux Device Drivers,second edition[M].O誖eilly & Associates,2002.

　　2. 郑旭阳、李兵兵、黄新平，模拟I2C总线多主通信研究与软件设计，单片机与嵌入式系统应用，2005，12：29_32

　　3. Philips Corporation, I2C bus specification version 2.1, 2000 

　　4. Atmel Corporation, AT91RM9200 Datasheet, version E, 2005

　　5.  Xicor Corporation, X1227 Datasheet, version1.3, 2004