I2C總線及EEPROM的Linux驅(qū)動程序的設(shè)計

　　1 引言

　　I2C （Inter-Integrated Circuit1總線是一種由Philips公司開發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。筆者在開發(fā)基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，I2C總線控制器的類型比較多，對系統(tǒng)提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設(shè)備主要有微控制器、EEPROM、實時時鐘、A/D轉(zhuǎn)換器等.MPC8250處理器正是通過內(nèi)部的I2C總線控制器來和這些連接在I2C總線上的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計者在設(shè)計驅(qū)動程序時采用了獨特的體系結(jié)構(gòu)。使開發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序與開發(fā)一般設(shè)備驅(qū)動程序的方法具有很大差別。因此，開發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序除了要涉及一般Linux內(nèi)核驅(qū)動程序的知識外。還要對I2C總線驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)有深入的了解。筆者在開發(fā)過程中使用設(shè)備型號為AT24C01A的EEPROM 來測試I2C總線驅(qū)動。

　　2 工作原理概述

　　在介紹I2C總線結(jié)構(gòu)之前。要搞清楚兩個概念：I2C總線控制器和I2C設(shè)備。I2C總線控制器為微控制器或微處理器提供控制I2C總線的接口，它控制所有I2C總線的特殊序列、協(xié)議、仲裁、時序，這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設(shè)備是指通過I2C總線與微控制器或微處理器相連的設(shè)備，如EEPROM、LCD驅(qū)動器等，這里指EEPROM。

　　在一個串行數(shù)據(jù)通道中.I2C總線控制器可以配置成主模式或從模式。開發(fā)過程中，MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設(shè)備；與總線相連的I2C設(shè)備為AT24C01A型EEPROM，作為從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主設(shè)備控制，主設(shè)備產(chǎn)生串行時鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。

　　2.1 I2C總線控制器

　　I2C使用由串行數(shù)據(jù)線SDA 和串線時鐘線SCL組成的兩線結(jié)構(gòu)來在外部集成電路與控制器之間交換數(shù)據(jù)。MPC8250的I2C總線控制器包括發(fā)送和接收單元、一個獨立的波特率發(fā)生器和一個控制單元。發(fā)送和接收單元使用相同的時鐘信號，如果I2C為主設(shè)備。那么時鐘信號由I2C的波特率發(fā)生器產(chǎn)生；如果I2C為從設(shè)備，時鐘信號則由外部提供。

　　SDA和SCL為雙向的，通過外部+3.3 V上拉電阻連接至正向電壓。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，SDA和SCL都應(yīng)是高電平，I2C通常的配置模式如圖1所示。

圖1 I2C配置模式

　　I2C的接收和發(fā)送單元均為雙緩存，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器到移位寄存器，以時鐘速率輸出到SDA線；在數(shù)據(jù)接收時，數(shù)據(jù)從SDA線進(jìn)入移位寄存器，然后進(jìn)入接收寄存器。

　　2.2 I2C總線控制器和EEPROM 的基本操作

　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型的信號，分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)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為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數(shù)據(jù)結(jié)束；

　　應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的設(shè)備在接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后， 向發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)出特定的低電平脈沖。表示已收到數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)MPC8250的I2C總線空閑時，其SDA和SCL均為高電平，主設(shè)備通過發(fā)送一個開始信號啟動發(fā)送過程。這個信號的時序要求是當(dāng)SCL為高時，SDA出現(xiàn)一個由高到低的電平跳變。在起始條件之后。必須是從設(shè)備的地址字節(jié)，其中高4位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著3位為片選，最后1位為讀寫位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作，如圖2所示。

圖2 EEPROM設(shè)備地址字節(jié)結(jié)構(gòu)

　　如果主設(shè)備要向EEPROM 中寫數(shù)據(jù)，在地址字節(jié)中主設(shè)備向EEPROM發(fā)出一個寫請求（R/W=0），發(fā)送的地址字節(jié)之后緊跟著要發(fā)送的數(shù)據(jù)。每發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后EEPROM就會產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，主設(shè)備也會監(jiān)控應(yīng)答信號，如果在發(fā)送一個字節(jié)后EEPROM沒有返回應(yīng)答信號，則主設(shè)備就會停止發(fā)送，并生成一個結(jié)束信號。寫操作的時序如圖3所示。

圖3 I2C主設(shè)備寫操作時序