Linux平台下I2C裝置驅動開發和實現

I2C匯流排具有結構簡單使用方便的特點。本文描述了Linux下I2C驅動的結構，並在此基礎上給出了I2C裝置驅動和應用的實現。

　　1  引言

　　I2C (Inter－Integrated Circuit)匯流排是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串列匯流排，用於串連微控制器及其外圍裝置。I2C匯流排最主要的優點是其簡單性和有效性。由於介面直接在組件之上，因此I2C匯流排佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和晶片管腳的數量，降低了互聯成本。I2C匯流排最初為音頻和視頻裝置開發，現已應用於各種服務與管理場合，來實現配置或掌握組件的功能狀態，如電源、系統風扇、系統溫度等參數，增加了系統的安全性，方便了管理。

　　2  I2C匯流排概述

　　I2C匯流排是由資料線SDA和時鐘SCL構成的串列匯流排，可發送和接收資料，每個器件都有一個惟一的地址識別。I2C 規程運用主/從雙向通訊。器件發送資料到匯流排上，則定義為發送器，器件接收資料則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作於接收和發送狀態。匯流排必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串列時鐘（SCL）控制匯流排的傳輸方向，併產生起始和停止條件。SDA線上的資料狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。

　　I2C匯流排在傳送資料過程中共有三種類型訊號，它們分別是：開始訊號、結束訊號和應答訊號。

　　開始訊號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送資料。

　　結束訊號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送資料。

　　應答訊號：接收資料的IC在接收到8bit資料後，向發送資料的IC發出特定的低電平脈衝，表示已收到資料。CPU向受控單元發出一個訊號後，等待受控單元發出一個應答訊號，CPU接收到應答訊號後，根據實際情況作出是否繼續傳遞訊號的判斷。若未收到應答訊號，由判斷為受控單元出現故障。

　　3  Linux的I2C驅動架

　　Linux中I2C匯流排的驅動分為兩個部分，匯流排驅動（BUS）和裝置驅動（DEVICE）。其中匯流排驅動的職責，是為系統中每個I2C匯流排增加相應的讀寫方法。但是匯流排驅動本身並不會進行任何的通訊，它只是存在那裡，等待裝置驅動調用其函數，參見圖1。

　　裝置驅動則是與掛在I2C匯流排上的具體的裝置通訊的驅動。通過I2C匯流排驅動提供的函數，裝置驅動可以忽略不同匯流排控制器的差異，不考慮其實現細節地與硬體裝置通訊。

 

圖1  Linux核心I2C匯流排驅動程式構架

　　在我們的Linux驅動的i2c檔案夾下有algos，busses，chips三個檔案夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個檔案。其中i2c-core.c檔案實現了I2C core架構，是Linux核心用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態List，分別記錄系統中的I2C driver結構和I2C adapter結構。I2C core提供介面函數，允許一個I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時在I2C core中進行註冊，以及退出時進行登出。同時還提供了I2C匯流排讀寫訪問的一般介面，主要應用在I2C裝置驅動中。

　　Busses檔案夾下的i2c-mpc.c檔案實現了PowerPC下I2C匯流排適配器驅動，定義描述了具體的I2C匯流排適配器的i2c_adapter資料結構，實現比較底層的對I2C匯流排訪問的具體方法。I2C adapter 構造一個對I2C core層介面的資料結構，並通過介面函數向I2C core註冊一個控制器。I2C adapter主要實現對I2C匯流排訪問的演算法，iic_xfer() 函數就是I2C adapter底層對I2C匯流排讀寫方法的實現。同時I2C adpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。

　　i2c-dev.c檔案中實現了I2C  driver，提供了一個通用的I2C裝置的驅動程式，實現了字元類型裝置的提供者，實現了對使用者應用程式層的介面，提供使用者程式訪問I2C裝置的介面，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準檔案操作的介面函數。我們可以通過open函數開啟 I2C的裝置檔案，通過ioctl函數設定要訪問從裝置的地址，然後就可以通過 read和write函數完成對I2C裝置的讀寫操作。

　　通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的裝置，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基於一般裝置的實現，所有的操作資料都是基於位元組流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C裝置，我們可以為一個具體的I2C裝置開發特定的I2C裝置驅動程式，在驅動中完成對特定的資料格式的解釋以及實現一些專用的功能。

　　4  Linux下I2C具體驅動開發

　　TMP75是TI公司推出的基於I2C匯流排的數字溫度感應器，具有低的功耗，高數字解析度，廣泛應用於電源溫度監控，電腦外設保護，筆記本和蜂窩電話中。針對該裝置開發驅動程式，由於linux系統下已經實現了I2C core架構，I2C匯流排適配器驅動，同時通過i2c-dev.c檔案提供了一個通用的I2C裝置的驅動程式，因此我們的驅動程式的開發主要集中在TMP75裝置驅動程式這一層，用來實現針對TMP75裝置的資料格式的解釋以及實現一些專用的功能。

　　根據TMP75的具體寄存器地址和功能定義：

　　    #define TMP75_REG_TEMP          0x00    //溫度寄存器地址
    #define TMP75_REG_CONF          0x01    //配置寄存器地址
    #define TMP75_REG_TEMP_LOW  0x02    //低溫閾值寄存器地址
    #define TMP75_REG_TEMP_HIGH 0x03    //高溫閾值寄存器地址

　　定義一個TMP75_data結構體和一系列函數實現匯流排初始化時的裝置檢測載入、裝置刪除時的資料操作。

　　struct TMP75_data {
      struct i2c_client       client；
      struct semaphore    update_lock；
      char        valid；     /* !=0 if following fields are valid */
      unsigned long  last_updated； /* In jiffies */
      u16         temp_input；   /* Register values */
      u16         temp_max；
      u16         temp_hyst；
}；

　　     static int TMP 75_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)；
     static int TMP 75_detect(struct i2c_adapter *adapter，int address，int kind)；
     static void TMP 75_init_client(struct i2c_client *client)；
     static int TMP 75_detach_client(struct i2c_client *client)；
     static int TMP 75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)；
     static int TMP 75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)；
     static struct TMP 75_data *tmp75_update_device(struct device *dev)；

　　其中針對TMP75裝置寄存器的特定格式定義TMP75寄存器讀寫的兩個函數如下：

　　static int TMP75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)
{
      if (reg == TMP75_REG_CONF)
             return i2c_smbus_write_byte_data(client，reg，value)；
      else
             return i2c_smbus_write_word_data(client，reg，swab16(value))；
}
 
static int TMP75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)
{
      if (reg == TMP 75_REG_CONF)
             return i2c_smbus_read_byte_data(client，reg)；
      else
             return swab16(i2c_smbus_read_word_data(client，reg))；
}

　　具體的裝置驅動程式完成之後將TMP75裝置驅動的配置選項添加到chips檔案夾下的kconfig檔案中，這樣在配置核心選項時就可以把TMP75裝置驅動添加到核心中。

　　5  Linux下I2C應用程式開發

　　Linux中應用程式要使用本驅動來訪問外部I2C器件，首先要通過open()來開啟其驅動，使用完畢後使用close()將其關閉。

　　int fd；
fd = open("/dev/i2c/0"，O_RDWR)；
……
close(fd)；

　　I2C匯流排控制器驅動提供的API函數提供了ioctl()函數用於設定I2C匯流排控制器的一些參數，本應用程式調用ioctl函數將I2C匯流排設定為7位地址模式，同時設定I2C從機地址。

　　      ioctl(fd，I2C_TENBIT，0)
      ioctl(fd，I2C_SLAVE，SLAVE_ADDR)

　　對TMP75的初始化工作通過調用write()函數實現，通過調用該函數實現對配置寄存器、高溫閾值和低溫閾值寄存器的初始化配置。

　　      //配置寄存器的初始化
      senbuf[0]=0x01；
      senbuf[1]=I2C_CONF_INITDATA；
      write(fd，sendbuf，2)；

　　對TMP75當前工作溫度的讀取通過調用write()函數先寫入溫度寄存器的地址，然後調用read()函數讀取寄存器2位元組的溫度資料實現。

　　write(fd，0x0，1)；

　　read(fd，recbuf，2)；

　　6  總結 

　　I2C匯流排結構簡單使用方便。linux系統下I2C的驅動程式具有清晰的階層，藉助於成熟的驅動的例子使用者很容易開發出針對自己產品的相應驅動。本文分析了Linux系統下I2C驅動結構，並在此基礎上實現了一個具體的I2C裝置的驅動，並在此基礎上給出了對I2C匯流排實現訪問的使用者應用實現。