嵌入式Linux系统中I2C总线设备的驱动设计

　　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

　　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
};

　　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。

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