Linux下I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)

I2C總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便的特點(diǎn)。本文描述了linux下I2C驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上給出了I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

1 引言

I2C (Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。I2C總線最初為音頻和視頻設(shè)備開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已應(yīng)用于各種服務(wù)與管理場(chǎng)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源、系統(tǒng)風(fēng)扇、系統(tǒng)溫度等參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。

2 I2C總線概述

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個(gè)器件都有一個(gè)惟一的地址識(shí)別。I2C 規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)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(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。

I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有三種類(lèi)型信號(hào)，它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。

開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

3 Linux的I2C驅(qū)動(dòng)架

Linux中I2C總線的驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)部分，總線驅(qū)動(dòng)（BUS）和設(shè)備驅(qū)動(dòng)（DEVICE）。其中總線驅(qū)動(dòng)的職責(zé)，是為系統(tǒng)中每個(gè)I2C總線增加相應(yīng)的讀寫(xiě)方法。但是總線驅(qū)動(dòng)本身并不會(huì)進(jìn)行任何的通訊，它只是存在那里，等待設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用其函數(shù)，參見(jiàn)圖1。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)則是與掛在I2C總線上的具體的設(shè)備通訊的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)I2C總線驅(qū)動(dòng)提供的函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)地與硬件設(shè)備通訊。

圖1 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架

在我們的Linux驅(qū)動(dòng)的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個(gè)文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個(gè)文件。其中i2c-core.c文件實(shí)現(xiàn)了I2C core框架，是Linux內(nèi)核用來(lái)維護(hù)和管理的I2C的核心部分，其中維護(hù)了兩個(gè)靜態(tài)的List，分別記錄系統(tǒng)中的I2C driver結(jié)構(gòu)和I2C adapter結(jié)構(gòu)。I2C core提供接口函數(shù)，允許一個(gè)I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時(shí)在I2C core中進(jìn)行注冊(cè)，以及退出時(shí)進(jìn)行注銷(xiāo)。同時(shí)還提供了I2C總線讀寫(xiě)訪問(wèn)的一般接口，主要應(yīng)用在I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)中。

Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實(shí)現(xiàn)了PowerPC下I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)比較底層的對(duì)I2C總線訪問(wèn)的具體方法。I2C adapter 構(gòu)造一個(gè)對(duì)I2C core層接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)接口函數(shù)向I2C core注冊(cè)一個(gè)控制器。I2C adapter主要實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線訪問(wèn)的算法，iic_xfer() 函數(shù)就是I2C adapter底層對(duì)I2C總線讀寫(xiě)方法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)I2C adpter 中還實(shí)現(xiàn)了對(duì)I2C控制器中斷的處理函數(shù)。

i2c-dev.c文件中實(shí)現(xiàn)了I2C driver，提供了一個(gè)通用的I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了字符類(lèi)型設(shè)備的訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)應(yīng)用層的接口，提供用戶(hù)程序訪問(wèn)I2C設(shè)備的接口，包括實(shí)現(xiàn)open，release，read，write以及最重要的ioctl等標(biāo)準(zhǔn)文件操作的接口函數(shù)。我們可以通過(guò)open函數(shù)打開(kāi) I2C的設(shè)備文件，通過(guò)ioctl函數(shù)設(shè)定要訪問(wèn)從設(shè)備的地址，然后就可以通過(guò) read和write函數(shù)完成對(duì)I2C設(shè)備的讀寫(xiě)操作。

通過(guò)I2C driver提供的通用方法可以訪問(wèn)任何一個(gè)I2C的設(shè)備，但是其中實(shí)現(xiàn)的read，write及ioctl等功能完全是基于一般設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，所有的操作數(shù)據(jù)都是基于字節(jié)流，沒(méi)有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設(shè)備，我們可以為一個(gè)具體的I2C設(shè)備開(kāi)發(fā)特定的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在驅(qū)動(dòng)中完成對(duì)特定的數(shù)據(jù)格式的解釋以及實(shí)現(xiàn)一些專(zhuān)用的功能。

4 Linux下I2C具體驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

TMP75是TI公司推出的基于I2C總線的數(shù)字溫度傳感器，具有低的功耗，高數(shù)字分辨率，廣泛應(yīng)用于電源溫度監(jiān)控，計(jì)算機(jī)外設(shè)保護(hù)，筆記本和蜂窩電話中。針對(duì)該設(shè)備開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，由于linux系統(tǒng)下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了I2C core框架，I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)i2c-dev.c文件提供了一個(gè)通用的I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，因此我們的驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)主要集中在TMP75設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這一層，用來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)TMP75設(shè)備的數(shù)據(jù)格式的解釋以及實(shí)現(xiàn)一些專(zhuān)用的功能。

根據(jù)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(gè)TMP75_data結(jié)構(gòu)體和一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)總線初始化時(shí)的設(shè)備檢測(cè)加載、設(shè)備刪除時(shí)的數(shù)據(jù)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(duì)TMP75設(shè)備寄存器的特定格式定義TMP75寄存器讀寫(xiě)的兩個(gè)函數(shù)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))；
}
具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成之后將TMP75設(shè)備驅(qū)動(dòng)的配置選項(xiàng)添加到chips文件夾下的kconfig文件中，這樣在配置內(nèi)核選項(xiàng)時(shí)就可以把TMP75設(shè)備驅(qū)動(dòng)添加到內(nèi)核中。

5 Linux下I2C應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

Linux中應(yīng)用程序要使用本驅(qū)動(dòng)來(lái)訪問(wèn)外部I2C器件，首先要通過(guò)open()來(lái)打開(kāi)其驅(qū)動(dòng)，使用完畢后使用close()將其關(guān)閉。
int fd；
fd = open(/dev/i2c/0，O_RDWR)；
……
close(fd)；

I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)提供的API函數(shù)提供了ioctl()函數(shù)用于設(shè)定I2C總線控制器的一些參數(shù)，本應(yīng)用程序調(diào)用ioctl函數(shù)將I2C總線設(shè)置為7位地址模式，同時(shí)設(shè)置I2C從機(jī)地址。
ioctl(fd，I2C_TENBIT，0)
ioctl(fd，I2C_SLAVE，SLAVE_ADDR)

對(duì)TMP75的初始化工作通過(guò)調(diào)用write()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)用該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)TMP75當(dāng)前工作溫度的讀取通過(guò)調(diào)用write()函數(shù)先寫(xiě)入溫度寄存器的地址，然后調(diào)用read()函數(shù)讀取寄存器2字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。
write(fd，0x0，1)；
read(fd，recbuf，2)；

6 總結(jié)

I2C總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便。linux系統(tǒng)下I2C的驅(qū)動(dòng)程序具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，借助于成熟的驅(qū)動(dòng)的例子用戶(hù)很容易開(kāi)發(fā)出針對(duì)自己產(chǎn)品的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。本文分析了Linux系統(tǒng)下I2C驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具體的I2C設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上給出了對(duì)I2C總線實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)的用戶(hù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。