摘  要： 針對I2C總線的特點，Linux內(nèi)核中定義了I2C驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)。在分析Linux的I2C總線驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，介紹了在S3C2410中設(shè)計I2C總線驅(qū)動的方法。
關(guān)鍵詞： ARM-Linux；I2C體系結(jié)構(gòu)；I2C總線驅(qū)動程序

　I2C總線是一種串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)總線，使用數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL就可實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，它使得電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，具有使用方便、通信速率高等優(yōu)點。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，I2C總線被廣泛地應(yīng)用在與RAM、EEPROM、RTC等設(shè)備間的接口電路中。近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷升溫，Linux憑借源碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定以及可裁剪性強(qiáng)等優(yōu)點成為在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)。而Linux設(shè)備驅(qū)動程序是所有Linux應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是現(xiàn)在Linux開發(fā)中的熱門領(lǐng)域。Linux內(nèi)核已經(jīng)把I2C總線協(xié)議定義為內(nèi)核驅(qū)動的一部分，并形成了一種體系結(jié)構(gòu)。本文正是在研究I2C總線驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了其在S3C2410中實現(xiàn)的基本方法。
1 I2C總線
　I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)傳輸線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成的二線制串行總線，可構(gòu)成主從和多主系統(tǒng)。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(shè)備，總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備。任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時間內(nèi)只能有一個設(shè)備作為主設(shè)備（通常為微控制器），其他每個I2C器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進(jìn)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。

　從圖1可以看到，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；（2）應(yīng)答信號：從設(shè)備在接收到1 B數(shù)據(jù)后，向主設(shè)備發(fā)出一個低電平脈沖應(yīng)答信號，表示已收到數(shù)據(jù)，主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作（I2C總線每次數(shù)據(jù)傳輸時字節(jié)數(shù)不限制，但是每發(fā)送1 B都要有一個應(yīng)答信號）；（3）結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。
I2C總線具體的通信工作原理如下：主設(shè)備首先發(fā)出開始信號，接著發(fā)送1 B的數(shù)據(jù)，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(shè)備與從設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳送方向）。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個停止信號，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個開始信號的到來。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 Linux驅(qū)動程序
　設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與底層硬件之間的接口。在ARM系統(tǒng)中，每個物理設(shè)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(tài)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(shè)備，并對設(shè)備進(jìn)行診斷，對硬件的控制主要是針對這些寄存器進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的底層細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個文件，應(yīng)用程序通過對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)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(xiàn)對硬件設(shè)備的操作，簡化了對設(shè)備的訪問，使得應(yīng)用程序的編寫相對簡單。
設(shè)備驅(qū)動程序一般有以下功能[3]：對硬件設(shè)備的初始化、加載和釋放；對設(shè)備進(jìn)行管理，包括實時參數(shù)設(shè)置以及提供對設(shè)備的統(tǒng)一操作接口；讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)或回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測或處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤等。
　Linux內(nèi)核將打開、關(guān)閉、讀/寫和ioctl等所有相關(guān)操作封裝在一個結(jié)構(gòu)體file_operations中，設(shè)備驅(qū)動程序利用結(jié)構(gòu)體file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。另外還要使用module_init（）和module_exit（）兩個宏。module_init（）的本質(zhì)是在.initcall.init段使用空間中定義的一個指向初始化函數(shù)的指針。設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用代碼段中設(shè)備初始化函數(shù)，完成初始化硬件和向內(nèi)核注冊設(shè)備驅(qū)動程序。module_exit（）功能與module_init（）相反。
2.2 I2C總線驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)
　直接數(shù)字頻率合成器（DDS）是一種產(chǎn)生模擬波形的方法，其通常是通過數(shù)字形式的時間轉(zhuǎn)換信號再執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生正弦波。因為DDS設(shè)備的運(yùn)行基于數(shù)字，所以能夠在輸出頻率、正弦波頻率分解和運(yùn)行于寬頻率頻譜之間相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生0~12.5 MHz的波形[6]。
　I2C設(shè)備在Linux下完全可以作為一個字符設(shè)備，可以根據(jù)需要編寫一個字符設(shè)備驅(qū)動程序來支持I2C通信。但是由于I2C總線是一種標(biāo)準(zhǔn)總線，在PC和嵌入式系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，Linux專門為I2C總線定義了I2C驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)[4]，使驅(qū)動程序有統(tǒng)一的接口，方便了驅(qū)動設(shè)計者設(shè)計，也便于移植。
在Linux系統(tǒng)中，I2C總線驅(qū)動體系由I2C核心、總線適配器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動三部分組成。
　（1）I2C核心
　I2C核心即i2c-core.c，是Linux內(nèi)核用來維護(hù)和管理的I2C總線的核心部分，實現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動的框架。I2C核心為總線提供了統(tǒng)一的接口函數(shù)，實現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動的注冊、注銷及通信等功能。I2C核心是I2C總線適配器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動之間的橋梁。
　（2）I2C總線適配器驅(qū)動
　I2C總線適配器驅(qū)動主要包括了對應(yīng)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(qū)動控制適配器通信函數(shù)等，為I2C核心提供了底層支持，是與硬件相關(guān)的。需要注意的是，I2C總線驅(qū)動程序只是提供了I2C總線的讀寫方法，其本身并不進(jìn)行任何通信，它只是等待設(shè)備驅(qū)動調(diào)用其函數(shù)來對具體的硬件設(shè)備進(jìn)行訪問。
?。?）I2C設(shè)備驅(qū)動程序
　I2C設(shè)備驅(qū)動程序通過I2C總線適配器驅(qū)動與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。I2C設(shè)備驅(qū)動程序中主要包括了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_driver（用于管理i2c_client）、i2c_client（掛在I2C總線上的設(shè)備驅(qū)動程序）和需要根據(jù)具體設(shè)備實現(xiàn)的成員函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的I2C驅(qū)動程序也是一個字符設(shè)備驅(qū)動程序，通過i2c-dev.c來進(jìn)行管理，包括open、release、read、write、ioctl和lseek等。
    Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動程序構(gòu)架如圖2所示，其反映了I2C總線驅(qū)動體系間的關(guān)系。

3 S3C2410中I2C總線驅(qū)動程序的實現(xiàn)

　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(jìn)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(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序時使用中斷來完成。
由于I2C核心提供了統(tǒng)一的、不需要修改的接口函數(shù)，因此驅(qū)動程序開發(fā)者只需要實現(xiàn)特定的I2C總線適配器驅(qū)動和I2C設(shè)備驅(qū)動，這樣大大提高了嵌入式 Linux的I2C總線驅(qū)動程序的移植性[5]。
3.1 I2C總線適配器驅(qū)動的實現(xiàn)
　對于S3C2410上的I2C總線驅(qū)動程序，按照I2C驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)與硬件的對應(yīng)關(guān)系，首先需要給S3C2410的I2C控制器添加對應(yīng)的I2C總線適配器驅(qū)動程序，即填充結(jié)構(gòu)體i2c_adapter。其通過i2c-core中的接口函數(shù)i2c_add_adapter將i2c_adapter和i2c_algorithm注冊到操作系統(tǒng)中。
　再者，實現(xiàn)S3C2410中I2C適配器的通信方法，主要實現(xiàn)i2c_algorithm中處理I2C消息的函數(shù)master_xfer（）。master_xfer（）負(fù)責(zé)S3C2410中I2C控制器的寄存器，用于產(chǎn)生I2C訪問周期需要的函數(shù)，以i2c_msg（即I2C消息）為單位，以此控制I2C總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法。另外，函數(shù)需實現(xiàn)functionality（）函數(shù)，其只返回一個algorithm所支持的通信傳輸模式，較容易實現(xiàn)。
3.2 設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)
　首先在芯片的總線適配器驅(qū)動程序中需要實現(xiàn)一個i2c_driver結(jié)構(gòu)并設(shè)置I2C芯片的初始化和卸載函數(shù)，實現(xiàn)i2c_driver中的數(shù)據(jù)成員attach_adapter和detach_client。初始化時，向系統(tǒng)注冊一個I2C字符設(shè)備，接著使用函數(shù)i2c_add_driver（）注冊一個I2C驅(qū)動管理結(jié)構(gòu)體i2c_driver，使I2C芯片相應(yīng)結(jié)構(gòu)中的成員attach_adapter執(zhí)行，進(jìn)而調(diào)用I2C核心的i2c_probe（）遍歷所有的i2c_adapter，當(dāng)?shù)刂穮?shù)與芯片設(shè)備地址一致時，則會調(diào)用結(jié)構(gòu)i2c_driver中detach_client成員函數(shù)來初始化芯片的i2c_client結(jié)構(gòu)，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(shè)備[6]。I2C總線識別這個設(shè)備后就會調(diào)用相應(yīng)的i2c_driver驅(qū)動該設(shè)備。
　在應(yīng)用層實現(xiàn)用戶程序訪問I2C設(shè)備的結(jié)構(gòu)file_operations接口函數(shù)，包括打開、釋放、讀/寫和ioctl等標(biāo)準(zhǔn)文件操作的接口函數(shù)。open（）和release（）這兩個函數(shù)已經(jīng)在內(nèi)核中實現(xiàn)，read（）和write（）函數(shù)用來實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)內(nèi)核之間相互傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備的讀寫操作，它們分別調(diào)用了I2C核心的i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函數(shù)來構(gòu)造一條I2C消息并在一個讀寫周期內(nèi)進(jìn)行傳輸。ioctl（）函數(shù)則用來向用戶提供一些命令以控制具體芯片設(shè)備，因為不同芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞需要的時序是不同的，針對具體的芯片，應(yīng)用程序需要通過構(gòu)造i2c_rdwr_ioctl_data結(jié)構(gòu)體來給內(nèi)核傳遞一條或數(shù)條I2C消息，從而實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫周期。
　I2C總線由于具有電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、通信速率高等優(yōu)點，已在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在介紹了I2C總線和分析了Linux系統(tǒng)下I2C總線的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，以S3C2410為例，給出了在其中編寫I2C總線驅(qū)動程序的基本開發(fā)過程。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱瑜亮，黃曉革.數(shù)字溫度傳感器DS1621在Linux下的I2C接口驅(qū)動設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011，19（2）：133-136.
[2] 李俊.嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[3] BECK M，BOHME H，DZIADZKA M，等.Linux內(nèi)核編程指南[M].張瑜，楊繼萍，等，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[4] 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[5] 李祥兵，鄭扣根．Linux中I2C總線驅(qū)動程序的開發(fā)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2005，26（1）：41-43．
[6] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.