嵌入式Linux系统中I2C总线设备的驱动设计

摘要： 本文分析了Linux系统中I2C驱动程序的结构，并以AT91RM9200和X1227为例，介绍了如何在嵌入式Linux系统中实现I2C总线适配器及I2C设备驱动。
关键词： Linux；I2C总线；I2C设备；驱动
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SDA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。
初始化i2c_adapter结构成员如下：
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,
... ...
};
这个模块并未提供读写函数，具体的读写方法由第二个模块struct i2c_algorithm提供。
static struct i2c_algorithm at91_algorithm = {
name: "at91 i2c",
id: I2C_ALGO_SMBUS,
smbus_xfer: at91_smbus_xfer,
master_xfer: at91_xfer,
functionality: at91_func,
};
通过调用I2C core中的接口函数i2c_add_adapter将这两个模块注册到操作系统里，总线驱动就算装上了。由此可见，i2c_algorithm实现了i2c通信具体方法。针对本文at91rm9200 I2C适配器， at91_xfer最为关键。分析内核可知，I2C core框架中提供给主机使用的数据传输接口：i2c_master_send，i2c_master_recv，i2c_transfer最终都是通过调用at91_xfer实现。
数据传输处理如下：数据发送主机初始化Start状态后，向主机模式寄存器TWI_MMR中DADR发送一个7位从机地址，以通知从机器件。从机地址后的位表示传输方向(写或读)。该位为0，说明是写操作(发送操作)；若该位为1，说明为数据读请求( 接收操作)。TWI 传输要求从机每收到一个字节后均要给出应答。在应答时钟脉冲中，主机释放数据线(HIGH)，将从机拉低以产生应答。主机在该时钟脉冲中轮询数据线，可使用轮询或中断方式来检验状态位。若从机未应答该字节，将置位状态寄存器TWI_SR的NAK 位。
写操作则发送数据至保持寄存器TWI_THR，设置TWI_CR的START 位以启动传输。数据在内部移位寄存器中移位，当检测到应答，TXRDY位置位，直到TWI_THR中有新数据写入，才清除该位。主机产生STOP 状态来结束传输。设置START 后开始读序列。当状态寄存器中RXRDY 位置位时，接收保持寄存器(TWI_RHR)以收到一个字符。当读TWI_RHR 时RXRDY 位复位。
TWI接口可执行多种传输格式：7位从机地址和10位从机地址。通过主机模式寄存器TWI_MMR配置三个内部地址字节。若从机仅支持7 位地址，IADRSZ 必须置为0。若从机地址大于7 位，用户必须配置地址大小IADRSZ 并在内部地址寄存器TWI_IADR中设置其他从机地址位。
X1227的设备驱动实现
X1227 是一个带有时钟、日历、CPU 监控电路和两路查询报警的实时时钟。时钟使用一个低成本的32.768kHz 的晶体作为输入，可精密地用秒、分钟、小时、日期、星期、月、年来显示时间，它可以自动调整闰年至2096年。同时X1227有一个看门狗定时器、3个超时时间可供选择。另外，X1227有一个4K位的EEPROM阵列，可用作某些用户配置数据的存储器。下面以X1227为例，说明一个具体的I2C设备驱动程序的设计要点。
如前所述，I2C总线驱动只是提供了对一条总线的读写机制，本身并不会去做通信。通信是由I2C设备驱动来做的，设备驱动透过I2C总线同具体的设备进行通讯。一个设备驱动有两个模块来描述，struct i2c_client和struct i2c_driver。i2c_client用来描述一个具体的I2C设备，i2c_driver结构提供了i2c_adapter与i2c_client之间的通信方式。
struct i2c_driver x1227_driver = {
name: 襒1227?
id: I2C_DRIVERID_X1227,
flags: I2C_DF_NOTIFY,
attach_adapter: x1227_probe,
detach_client: x1227_detach,
command: x1227_command
};
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。