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嵌入式Linux系统下I2C设备驱动程序的开发

菜鸟
2007-03-29 17:40:22     打赏

【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 . LinuxI2C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。

参考文献:

[1] Philips Corporation,I2C bus specification version 2.1,2000

[2] Linux kernel,version 2.4.30

[3] Maxim Integrated Products , inc . USA . DS1307 Datasheet , 2004

[4] Aless and Robin著,魏永明等译,《LINUX设备驱动程序(第二版)》,北京,中国电力出版社,2004年




关键词: 嵌入式     Linux     系统     设备     驱动程序     开发         

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