嵌入式Linux系统下I2C设备驱动程序的开发

【摘    要】I2C总线是一种很通用的总线，具有简单、高效等特点，广泛应用在各种消费类电子产品及音视频设备上，在嵌入式系统的开发中也经常用到。本文分析了嵌入式linux系统中I2C驱动程序的结构，并结合一个具体的I2C时钟芯片DS1307，说明在嵌入式linux系统下开发I2C设备驱动程序的一般流程。
【关键字】I2C总线    嵌入式linux    驱动开发

1、I2C 总线简介
I2C (Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最主要的优点就是简单性和有效性。
1.1    I2C 总线工作原理
I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，各种被控制器件均并联在这条总线上，每个器件都有一个唯一的地址识别，可以作为总线上的一个发送器件或接收器件(具体由器件的功能决定) [1]。I2C总线的接口电路结构如图1所示。


图1    I2C总线接口电路[1]
1.2    I2C 总线的几种信号状态 [1]
1.    空闲状态：SDA和SCL都为高电平。
2.    开始条件(S)：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
3.    结束条件(P)：SCL为低电平时，SDA
由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
4.    数据有效：在SCL的高电平期间， SDA保持稳定，数据有效。SDA的改变只能发生在SCL的底电平期间。
5.    ACK信号: 数据传输的过程中，接收器件每接收一个字节数据要产生一个ACK信号，向发送器件发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。
1.3    I2C 总线基本操作
I2C总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL），同时控制总线的传输方向，并产生开始和停止条件。
数据传输中，首先主器件产生开始条件，随后是器件的控制字节（前七位是从器件的地址，最后一位为读写位 ）。接下来是读写操作的数据，以及 ACK响应信号。数据传输结束时，主器件产生停止条件[1]。具体的过程如图2所示。


图2 完整的I2C数据传输过程[1]
2 . Linux 下 I2C 驱动程序的分析
2.1 Linux 系统 I2C 驱动的层次结构
Linux系统对I2C设备具有很好的支持，Linux系统下的I2C驱动程序从逻辑上可以分为3个部分：
1. I2C总线的驱动 I2C core ：实现对I2C总线、I2C adapter及I2C driver的管理。
2. I2C控制器的驱动 I2C adapter ：针对不同类型的I2C控制器 ，实现对I2C总线访问的具体方法。
3. I2C设备的驱动 I2C driver ：针对特定的I2C设备，实现具体的功能，包括read, write以及ioctl等对用户层操作的接口。
这三个部分的层次关系如图3和图4所示。









2.2    I2C 总线驱动 I2C core
I2C core是Linux内核用来维护和管理的I2C的核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2C driver结构和I2C adapter结构。I2C core提供接口函数，允许一个I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化时在I2C core中进行注册，以及退出时进行注销。同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口（具体的实现在与I2C控制器相关的I2C adapter中实现），主要应用在I2C设备驱动中。
2.3    I2C 控制器的驱动 I2C adapter
I2C adapter是针对不同类型I2C控制器硬件，实现比较底层的对I2C总线访问的具体方法。I2C adapter 构造一个对I2C core层接口的数据结构，并通过接口函数向I2C core注册一个控制器。
I2C adapter主要实现对I2C总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是I2C adapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2C adpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。
2.4    I2C 设备的驱动 I2C driver
I2C driver中提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过I2C adapter来实现的。I2C driver构造一个对I2C core层接口的数据结构，通过接口函数向 I2C Core注册一个I2C设备驱动。同时I2C driver 构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。
I2C driver实现用户层对I2C设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过 read和write函数完成对I2C设备的读写操作。
通过I2C driver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用I2C设备，我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。
3.        一个具体的 I2C 设备驱动程序的开发
DS1307是一款小巧的I2C接口的实时时钟芯片，具有低功耗，全BCD码时钟和日历输出， 12 /24小时工作模式，时分秒、星期、年月日计时数据，润年自动补偿，有效期至2100年，外加56 Bytes的NV RAM（非易失性的RAM）等特点[3]。下面以DS1307为例，说明一个具体的I2C设备驱动程序的设计要点。
3.1    I2C 设备驱动程序的一般结构
一个具体的I2C设备驱动需要实现两个方面的接口，一个是对I2C core层的接口，用以挂接I2C adapter层来实现对I2C总线及I2C设备具体的访问方法，包括要实现attach_adapter，detach_client，command等接口函数。另一个是对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C设备的接口，包括实现open，release，read，write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。
对I2C core层的接口函数的具体功能解释如下：
attach_adapter：I2C driver在调用I2C_add_driver() 注册时，对发现的每一个I2C adapter（对应一条I2C 总线）都要调用该函数，检查该I2C adapter是否符合I2C driver的特定条件，如果符合条件则连接此I2C adapter，并通过I2C adapter来实现对I2C总线及I2C设备的访问。
detach_client：I2C driver在删除一个I2C device时调用该函数，清除描述这个I2C device的数据结构，这样以后就不能访问该设备了。
command：针对设备的特点，实现一系列的子功能，是用户接口中的ioctl功能的底层实现。
3.2    DS1307 驱动程序实现对 I2C core 层的接口
在驱动中必须实现一个struct i2c_driver 的数据结构，并在驱动模块初始化时向I2C core注册一个I2C驱动，并完成对I2C adapter的相关操作。
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  
};
数据结构ds1307_driver中的name:"DS1307"，Id:I2C_DRIVERID_DS1307用来标识DS1307驱动程序。flags: I2C_DF_NOTIFY表示在I2C总线发生变化时通知该驱动。
ds1307_probe对应i2c_driver数据结构中的attach_adapter，主要功能：调用 I2C core 层提供的i2c_probe函数查找一条I2C总线，看是否有DS1307的设备存在，如果存在DS1307，则将对应的I2C adapter 和DS1307设备挂接在一起，并通过该I2C adapter来实现对DS1307的访问。同时使能DS1307, 并调用i2c_attach_client()向I2C core层注册DS1307。
ds1307_detach对应i2c_driver数据结构中的detach_client，主要功能：调用i2c_detach_client() 向I2C core层注销DS1307，并不使能DS1307，这样I2C驱动就不能访问DS1307了。
ds1307_command对应i2c_driver数据结构中的command ，主要功能：针对DS1307时钟芯片的特点，实现一系列的诸如DS1307_GETTIME ，DS1307_SETTIME，DS1307_GETDATETIME，DS1307_MEM_READ，DS1307_MEM_WRITE等子功能，是用户接口中的ioctl功能的底层实现。
以上3个接口函数使DS1307的驱动程序实现了对I2C 总线及I2C adpater的挂接，因此就可以通过I2C core的提供对I2C总线读写访问的通用接口，来开发实现DS1037驱动程序对用户应用层的接口函数。
3.3    DS1307 驱动程序实现对用户应用层的接口
在驱动中必须实现一个struct file_operations 的数据结构，并向内核注册为一个字符类型的设备（用单独的主设备号来标识），或者注册为一个miscdevice设备（所有miscdevice设备共同一个主设备号，不同的次设备号，所有的miscdevice设备形成一个链表，对设备访问时根据次设备号查找对应的miscdevice设备，然后调用其struct file_operations中注册的应用层接口进行操作）。
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
};
数据结构rtc_fops 中的ds1307_rtc_open 和ds1307_rtc_release对应file_operations中的open和release，分别用来打开和关闭DS1307。
ds1307_rtc_ioctl对应file_operations中的ioctl，对用户提供的一系列控制时钟芯片的具体命令：RTC_GET_TIME： 以固定的数据格式读取实时时钟的时间。RTC_SET_TIME：以固定的数据格式设定实时时钟的时间。RTC_SYNC_TIME：系统时钟和实时时钟之间的时间同步。
ds1307_rtc_read 对应对应file_operations中的read，实现与ds1307_rtc_ioctl 的子功能RTC_GET_TIME相同的功能，以及从NV RAM读取数据。
ds1307_rtc_write 对应file_operations中的write，实现与ds1307_rtc_ioctl的子功能 RTC_SET_TIME相同的功能，以及将数据写入NV RAM。
3.4    DS1307 驱动程序的加载和测试
在DS1307驱动模块的初始化函数ds1307_init()中，首先通过i2c_add_driver(&ds1307_driver)向I2C core层注册一个I2C的设备驱动，然后再通过misc_register (&ds1307_rtc_miscdev)将DS1307注册为一个miscdevice设备，这样用户程序就可以通过主设备号10 次设备号 135的设备节点/dev/rtc来访问DS1307了。
将DS1307的驱动程序编译成模块的方式，通过insmod命令加载进内核，然后用测试代码进行测试，DS1307驱动程序中实现的所有功能都达到了预期的效果。
由于DS1307驱动程序在底层实现了对DS1307时钟芯片数据的解释和转换，所以在用户程序中得到的就是有固定格式和意义的数据，这样就方便了用户程序的访问，提高了应用开发的效率。
4 ．总结
I2C总线是一种结构小巧，协议简单的总线，应用很广泛，访问起来简单方便。linux系统下I2C的驱动程序具有清晰的层次结构，可以很容易地为一个特定的I2C设备开发驱动。本文通过对linux系统下I2C驱动，以及一个具体的DS1307时钟芯片驱动结构的分析，基本上可以很清楚看出一个I2C设备驱动的开发过程。实现的关键分为两个部分，1. 对I2C core的接口，必须实现 struct i2c_drvier数据结构中的几个特定的功能函数。这些函数是I2C驱动与I2C总线物理层（I2C控制器）和I2C设备器件之间通信的基础。2. 对用户应用层的接口，必须实现struct file_operation数据结构中的一些特定功能的函数，如 open ，release , read ,write，lseek等函数。以上两类接口中，对I2C core的接口是对I2C设备访问的基础，实现对I2C总线具体的访问方法；对用户应用层的接口则是方便应用程序开发，实现设备特定功能的必不可少的部分。