嵌入式Linux系統下I2C裝置驅動程式的開發

【摘    要】I2C匯流排是一種很通用的匯流排，具有簡單、高效等特點，廣泛應用在各種消費類電子產品及音視頻裝置上，在嵌入式系統的開發中也經常用到。本文分析了嵌入式linux系統中I2C驅動程式的結構，並結合一個具體的I2C時鐘晶片DS1307，說明在嵌入式linux系統下開發I2C裝置驅動程式的一般流程。
【關鍵字】I2C匯流排    嵌入式linux    驅動開發

1、I2C匯流排簡介
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就是簡單性和有效性。
1.1    I2C匯流排工作原理
I2C匯流排是由資料線SDA和時鐘SCL構成的串列匯流排，各種被控制器件均並聯在這條匯流排上，每個器件都有一個唯一的地址識別，可以作為匯流排上的一個發送器件或接收器件(具體由器件的功能決定) [1]。I2C匯流排的介面電路結構1所示。

圖1    I2C匯流排介面電路[1]
1.2    I2C匯流排的幾種訊號狀態[1]
1.    空閑狀態：SDA和SCL都為高電平。
2.    開始條件(S)：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送資料。
3.    結束條件(P)：SCL為低電平時，SDA
由低電平向高電平跳變，結束傳送資料。
4.    資料有效：在SCL的高電平期間， SDA保持穩定，資料有效。SDA的改變只能發生在SCL的底電平期間。
5.    ACK訊號: 資料轉送的過程中，接收器件每接收一個位元組資料要產生一個ACK訊號，向發送器件發出特定的低電平脈衝，表示已經收到資料。
1.3    I2C匯流排基本操作
I2C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），同時控制匯流排的傳輸方向，併產生開始和停止條件。
資料轉送中，首先主器件產生開始條件，隨後是器件的控制位元組（前七位是從器件的地址，最後一位為讀寫位 ）。接下來是讀寫操作的資料，以及 ACK響應訊號。資料轉送結束時，主器件產生停止條件[1]。具體的過程2所示。

圖2 完整的I2C資料轉送過程[1]
2 . Linux下I2C驅動程式的分析
2.1 Linux系統I2C驅動的階層
Linux系統對I2C裝置具有很好的支援，Linux系統下的I2C驅動程式從邏輯上可以分為3個部分：
1. I2C匯流排的驅動 I2C core ：實現對I2C匯流排、I2C adapter及I2C driver的管理。
2. I2C控制器的驅動 I2C adapter ：針對不同類型的I2C控制器 ，實現對I2C匯流排訪問的具體方法。
3. I2C裝置的驅動 I2C driver ：針對特定的I2C裝置，實現具體的功能，包括read, write以及ioctl等對使用者層操作的介面。
這三個部分的層次關係3和圖4所示。

2.2    I2C 匯流排驅動 I2C core
I2C core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（具體的實現在與I2C控制器相關的I2C adapter中實現），主要應用在I2C裝置驅動中。
2.3    I2C控制器的驅動 I2C adapter
I2C adapter是針對不同類型I2C控制器硬體，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。
2.4    I2C裝置的驅動 I2C driver
I2C driver中提供了一個通用的I2C裝置的驅動程式，實現了字元類型裝置的提供者，對裝置的具體訪問是通過I2C adapter來實現的。I2C driver構造一個對I2C core層介面的資料結構，通過介面函數向 I2C Core註冊一個I2C裝置驅動。同時I2C driver 構造一個對使用者層介面的資料結構，並通過介面函數向核心註冊為一個主裝置號為89的字元類型裝置。
I2C driver實現使用者層對I2C裝置的訪問，包括open，read，write，ioctl，release等常規檔案操作，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。
3.       一個具體的I2C裝置驅動程式的開發
DS1307是一款小巧的I2C介面的系統時鐘晶片，具有低功耗，全BCD碼時鐘和日曆輸出， 12 /24小時工作模式，時分秒、星期、年月日計時資料，潤年自動補償，有效期間至2100年，外加56 Bytes的NV RAM（非易失性的RAM）等特點[3]。下面以DS1307為例，說明一個具體的I2C裝置驅動程式的設計要點。
3.1    I2C裝置驅動程式的一般結構
一個具體的I2C裝置驅動需要實現兩個方面的介面，一個是對I2C core層的介面，用以掛接I2C adapter層來實現對I2C匯流排及I2C裝置具體的存取方法，包括要實現attach_adapter，detach_client，command等介面函數。另一個是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。
對I2C core層的介面函數的具體功能解釋如下：
attach_adapter：I2C driver在調用I2C_add_driver() 註冊時，對發現的每一個I2C adapter（對應一條I2C 匯流排）都要調用該函數，檢查該I2C adapter是否符合I2C driver的特定條件，如果符合條件則串連此I2C adapter，並通過I2C adapter來實現對I2C匯流排及I2C裝置的訪問。
detach_client：I2C driver在刪除一個I2C device時調用該函數，清除描述這個I2C device的資料結構，這樣以後就不能訪問該裝置了。
command：針對裝置的特點，實現一系列的子功能，是使用者介面中的ioctl功能的底層實現。
3.2    DS1307驅動程式實現對I2C core層的介面
在驅動中必須實現一個struct i2c_driver 的資料結構，並在驅動模組初始化時向I2C core註冊一個I2C驅動，並完成對I2C adapter的相關操作。
struct i2c_driver ds1307_driver =
{
name: "DS1307",
id: I2C_DRIVERID_DS1307,
flags: I2C_DF_NOTIFY,
attach_adapter:ds1307_probe,
detach_client:ds1307_detach,
command: ds1307_command  
};
資料結構ds1307_driver中的name:"DS1307"，Id:I2C_DRIVERID_DS1307用來標識DS1307驅動程式。flags: I2C_DF_NOTIFY表示在I2C匯流排發生變化時通知該驅動。
ds1307_probe對應i2c_driver資料結構中的attach_adapter，主要功能：調用 I2C core 層提供的i2c_probe函數尋找一條I2C匯流排，看是否有DS1307的裝置存在，如果存在DS1307，則將對應的I2C adapter 和DS1307裝置掛接在一起，並通過該I2C adapter來實現對DS1307的訪問。同時使能DS1307, 並調用i2c_attach_client()向I2C core層註冊DS1307。
ds1307_detach對應i2c_driver資料結構中的detach_client，主要功能：調用i2c_detach_client() 向I2C core層登出DS1307，並不使能DS1307，這樣I2C驅動就不能訪問DS1307了。
ds1307_command對應i2c_driver資料結構中的command ，主要功能：針對DS1307時鐘晶片的特點，實現一系列的諸如DS1307_GETTIME ，DS1307_SETTIME，DS1307_GETDATETIME，DS1307_MEM_READ，DS1307_MEM_WRITE等子功能，是使用者介面中的ioctl功能的底層實現。
以上3個介面函數使DS1307的驅動程式實現了對I2C 匯流排及I2C adpater的掛接，因此就可以通過I2C core的提供對I2C匯流排讀寫訪問的通用介面，來開發實現DS1037驅動程式對使用者應用程式層的介面函數。
3.3    DS1307驅動程式實現對使用者應用程式層的介面
在驅動中必須實現一個struct file_operations 的資料結構，並向核心註冊為一個字元類型的裝置（用單獨的主裝置號來標識），或者註冊為一個miscdevice裝置（所有miscdevice裝置共同一個主裝置號，不同的次裝置號，所有的miscdevice裝置形成一個鏈表，對裝置訪問時根據次裝置號尋找對應的miscdevice裝置，然後調用其struct file_operations中註冊的應用程式層介面進行操作）。
struct file_operations rtc_fops =
{
owner: THIS_MODULE,
ioctl: ds1307_rtc_ioctl,
read: ds1307_rtc_read,
write: ds1307_rtc_read,
open: ds1307_rtc_open,
release: ds1307_rtc_release
};
資料結構rtc_fops 中的ds1307_rtc_open 和ds1307_rtc_release對應file_operations中的open和release，分別用來開啟和關閉DS1307。
ds1307_rtc_ioctl對應file_operations中的ioctl，對使用者提供的一系列控制時鐘晶片的具體命令：RTC_GET_TIME： 以固定的資料格式讀取系統時鐘的時間。RTC_SET_TIME：以固定的資料格式設定系統時鐘的時間。RTC_SYNC_TIME：系統時鐘和系統時鐘之間的時間同步。
ds1307_rtc_read 對應對應file_operations中的read，實現與ds1307_rtc_ioctl 的子功能RTC_GET_TIME相同的功能，以及從NV RAM讀取資料。
ds1307_rtc_write 對應file_operations中的write，實現與ds1307_rtc_ioctl的子功能 RTC_SET_TIME相同的功能，以及將資料寫入NV RAM。
3.4    DS1307驅動程式的載入和測試
在DS1307驅動模組的初始化函數ds1307_init()中，首先通過i2c_add_driver(&ds1307_driver)向I2C core層註冊一個I2C的裝置驅動，然後再通過misc_register (&ds1307_rtc_miscdev)將DS1307註冊為一個miscdevice裝置，這樣使用者程式就可以通過主裝置號10 次裝置號 135的裝置節點/dev/rtc來訪問DS1307了。
將DS1307的驅動程式編譯成模組的方式，通過insmod命令載入進核心，然後用測試代碼進行測試，DS1307驅動程式中實現的所有功能都達到了預期的效果。
由於DS1307驅動程式在底層實現了對DS1307時鐘晶片資料的解釋和轉換，所以在使用者程式中得到的就是有固定格式和意義的資料，這樣就方便了使用者程式的訪問，提高了應用開發的效率。
4．總結
I2C匯流排是一種結構小巧，協議簡單的匯流排，應用很廣泛，訪問起來簡單方便。linux系統下I2C的驅動程式具有清晰的階層，可以很容易地為一個特定的I2C裝置開發驅動。本文通過對linux系統下I2C驅動，以及一個具體的DS1307時鐘晶片驅動結構的分析，基本上可以很清楚看出一個I2C裝置驅動的開發過程。實現的關鍵分為兩個部分，1. 對I2C core的介面，必須實現 struct i2c_drvier資料結構中的幾個特定的功能函數。這些函數是I2C驅動與I2C匯流排物理層（I2C控制器）和I2C裝置器件之間通訊的基礎。2. 對使用者應用程式層的介面，必須實現struct file_operation資料結構中的一些特定功能的函數，如 open ，release , read ,write，lseek等函數。以上兩類介面中，對I2C core的介面是對I2C裝置訪問的基礎，實現對I2C匯流排具體的存取方法；對使用者應用程式層的介面則是方便應用程式開發，實現裝置特定功能的必不可少的部分。