Linux下I2C設備驅(qū)動開發(fā)和實現(xiàn)
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I2C總線具有結(jié)構簡單使用方便的特點。本文描述了linux下I2C驅(qū)動的結(jié)構，并在此基礎上給出了I2C設備驅(qū)動和應用的實現(xiàn)。
1 引言
I2C (Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。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備開發(fā)，現(xiàn)已應用于各種服務與管理場合，來實現(xiàn)配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源、系統(tǒng)風扇、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和時鐘SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個器件都有一個惟一的地址識別。I2C 規(guī)程運用主/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)?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（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)的改變被用來表示起始和停止條件。
I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應答信號。
開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。
結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。
應答信號：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)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。
Linux中I2C總線的驅(qū)動分為兩個部分，總線驅(qū)動（BUS）和設備驅(qū)動（DEVICE）。其中總線驅(qū)動的職責，是為系統(tǒng)中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。但是總線驅(qū)動本身并不會進行任何的通訊，它只是存在那里，等待設備驅(qū)動調(diào)用其函數(shù)，參見圖1。
設備驅(qū)動則是與掛在I2C總線上的具體的設備通訊的驅(qū)動。通過I2C總線驅(qū)動提供的函數(shù)，設備驅(qū)動可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實現(xiàn)細節(jié)地與硬件設備通訊。
圖1 Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動程序構架
在我們的Linux驅(qū)動的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個文件。其中i2c-core.c文件實現(xiàn)了I2C core框架，是Linux內(nèi)核用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態(tài)的List，分別記錄系統(tǒng)中的I2C driver結(jié)構和I2C adapter結(jié)構。I2C core提供接口函數(shù)，允許一個I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時在I2C core中進行注冊，以及退出時進行注銷。同時還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口，主要應用在I2C設備驅(qū)動中。
Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實現(xiàn)了PowerPC下I2C總線適配器驅(qū)動，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構，實現(xiàn)比較底層的對I2C總線訪問的具體方法。I2C adapter 構造一個對I2C core層接口的數(shù)據(jù)結(jié)構，并通過接口函數(shù)向I2C core注冊一個控制器。I2C adapter主要實現(xiàn)對I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數(shù)就是I2C adapter底層對I2C總線讀寫方法的實現(xiàn)。同時I2C adpter 中還實現(xiàn)了對I2C控制器中斷的處理函數(shù)。
i2c-dev.c文件中實現(xiàn)了I2C driver，提供了一個通用的I2C設備的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了字符類型設備的訪問接口，實現(xiàn)了對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現(xiàn)open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準文件操作的接口函數(shù)。我們可以通過open函數(shù)打開 I2C的設備文件，通過ioctl函數(shù)設定要訪問從設備的地址，然后就可以通過 read和write函數(shù)完成對I2C設備的讀寫操作。
通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的設備，但是其中實現(xiàn)的read，write及ioctl等功能完全是基于一般設備的實現(xiàn)，所有的操作數(shù)據(jù)都是基于字節(jié)流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設備，我們可以為一個具體的I2C設備開發(fā)特定的I2C設備驅(qū)動程序，在驅(qū)動中完成對特定的數(shù)據(jù)格式的解釋以及實現(xiàn)一些專用的功能。
4 Linux下I2C具體驅(qū)動開發(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，廣泛應用于電源溫度監(jiān)控，計算機外設保護，筆記本和蜂窩電話中。針對該設備開發(fā)驅(qū)動程序，由于linux系統(tǒng)下已經(jīng)實現(xiàn)了I2C core框架，I2C總線適配器驅(qū)動，同時通過i2c-dev.c文件提供了一個通用的I2C設備的驅(qū)動程序，因此我們的驅(qū)動程序的開發(fā)主要集中在TMP75設備驅(qū)動程序這一層，用來實現(xiàn)針對TMP75設備的數(shù)據(jù)格式的解釋以及實現(xiàn)一些專用的功能。
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TMP75_data結(jié)構體和一系列函數(shù)實現(xiàn)總線初始化時的設備檢測加載、設備刪除時的數(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TMP75設備寄存器的特定格式定義TMP75寄存器讀寫的兩個函數(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))；
}
具體的設備驅(qū)動程序完成之后將TMP75設備驅(qū)動的配置選項添加到chips文件夾下的kconfig文件中，這樣在配置內(nèi)核選項時就可以把TMP75設備驅(qū)動添加到內(nèi)核中。
5 Linux下I2C應用程序開發(fā)
Linux中應用程序要使用本驅(qū)動來訪問外部I2C器件，首先要通過open()來打開其驅(qū)動，使用完畢后使用close()將其關閉。
int fd；
fd = open(/dev/i2c/0，O_RDWR)；
……
close(fd)；
I2C總線控制器驅(qū)動提供的API函數(shù)提供了ioctl()函數(shù)用于設定I2C總線控制器的一些參數(shù)，本應用程序調(diào)用ioctl函數(shù)將I2C總線設置為7位地址模式，同時設置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(diào)用write()函數(shù)實現(xiàn)，通過調(diào)用該函數(shù)實現(xiàn)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(diào)用write()函數(shù)先寫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)實現(xiàn)。
write(fd，0x0，1)；
read(fd，recbuf，2)；
6 總結(jié)
I2C總線結(jié)構簡單使用方便。linux系統(tǒng)下I2C的驅(qū)動程序具有清晰的層次結(jié)構，借助于成熟的驅(qū)動的例子用戶很容易開發(fā)出針對自己產(chǎn)品的相應驅(qū)動。本文分析了Linux系統(tǒng)下I2C驅(qū)動結(jié)構，并在此基礎上實現(xiàn)了一個具體的I2C設備的驅(qū)動，并在此基礎上給出了對I2C總線實現(xiàn)訪問的用戶應用實現(xiàn)。
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