摘 要： 針對I2C總線的特點(diǎn)，Linux內(nèi)核中定義了I2C驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)。在分析Linux的I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，介紹了在S3C2410中設(shè)計(jì)I2C總線驅(qū)動(dòng)的方法。
關(guān)鍵詞： ARM-Linux；I2C體系結(jié)構(gòu)；I2C總線驅(qū)動(dòng)程序

　I2C總線是一種串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)總線，使用數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL就可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，它使得電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，具有使用方便、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在嵌入式系統(tǒng)中，I2C總線被廣泛地應(yīng)用在與RAM、EEPROM、RTC等設(shè)備間的接口電路中。近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷升溫，Linux憑借源碼開放、內(nèi)核穩(wěn)定以及可裁剪性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為在通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的主流操作系統(tǒng)。而Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是所有Linux應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是現(xiàn)在Linux開發(fā)中的熱門領(lǐng)域。Linux內(nèi)核已經(jīng)把I2C總線協(xié)議定義為內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的一部分，并形成了一種體系結(jié)構(gòu)。本文正是在研究I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了其在S3C2410中實(shí)現(xiàn)的基本方法。
1 I2C總線
　I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)傳輸線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成的二線制串行總線，可構(gòu)成主從和多主系統(tǒng)。I2C總線多采用主從雙向通信，即總線上在某一時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備，總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備。任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)設(shè)備作為主設(shè)備（通常為微控制器），其他每個(gè)I2C器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進(jìn)行通信，它們都有唯一的地址用來識(shí)別。
I2C總線的時(shí)序圖[1]如圖1所示。

　從圖1可以看到，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中使用了三種信號(hào)[2]。（1）開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開始傳送數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)答信號(hào)：從設(shè)備在接收到1 B數(shù)據(jù)后，向主設(shè)備發(fā)出一個(gè)低電平脈沖應(yīng)答信號(hào)，表示已收到數(shù)據(jù)，主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作（I2C總線每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)字節(jié)數(shù)不限制，但是每發(fā)送1 B都要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)）；（3）結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。
I2C總線具體的通信工作原理如下：主設(shè)備首先發(fā)出開始信號(hào)，接著發(fā)送1 B的數(shù)據(jù)，其由高7 bit地址碼和最低1 bit方向位組成（方向位表明主設(shè)備與從設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳送方向）。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個(gè)開始信號(hào)的到來。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 Linux驅(qū)動(dòng)程序
　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核與底層硬件之間的接口。在ARM系統(tǒng)中，每個(gè)物理設(shè)備都有自己的控制器，每個(gè)硬件控制器都有自己的控制狀態(tài)寄存器（CSR），并且各不相同。這些寄存器用來啟動(dòng)、停止、初始化設(shè)備，并對設(shè)備進(jìn)行診斷，對硬件的控制主要是針對這些寄存器進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的底層細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)文件，應(yīng)用程序通過對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中定義的通信接口（write、read和ioctl等）像操作普通文件一樣實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作，簡化了對設(shè)備的訪問，使得應(yīng)用程序的編寫相對簡單。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般有以下功能[3]：對硬件設(shè)備的初始化、加載和釋放；對設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置以及提供對設(shè)備的統(tǒng)一操作接口；讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)或回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測或處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤等。
　Linux內(nèi)核將打開、關(guān)閉、讀/寫和ioctl等所有相關(guān)操作封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體file_operations中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序利用結(jié)構(gòu)體file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。另外還要使用module_init（）和module_exit（）兩個(gè)宏。module_init（）的本質(zhì)是在.initcall.init段使用空間中定義的一個(gè)指向初始化函數(shù)的指針。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過調(diào)用代碼段中設(shè)備初始化函數(shù)，完成初始化硬件和向內(nèi)核注冊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。module_exit（）功能與module_init（）相反。
2.2 I2C總線驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)
　直接數(shù)字頻率合成器（DDS）是一種產(chǎn)生模擬波形的方法，其通常是通過數(shù)字形式的時(shí)間轉(zhuǎn)換信號(hào)再執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生正弦波。因?yàn)镈DS設(shè)備的運(yùn)行基于數(shù)字，所以能夠在輸出頻率、正弦波頻率分解和運(yùn)行于寬頻率頻譜之間相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器，AD9833是可編程的，通過高速串口外圍接口（SPI），只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡單的正弦波就可以工作了。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0~12.5 MHz的波形[6]。
　I2C設(shè)備在Linux下完全可以作為一個(gè)字符設(shè)備，可以根據(jù)需要編寫一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來支持I2C通信。但是由于I2C總線是一種標(biāo)準(zhǔn)總線，在PC和嵌入式系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，Linux專門為I2C總線定義了I2C驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)[4]，使驅(qū)動(dòng)程序有統(tǒng)一的接口，方便了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，也便于移植。
在Linux系統(tǒng)中，I2C總線驅(qū)動(dòng)體系由I2C核心、總線適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)三部分組成。
　（1）I2C核心
　I2C核心即i2c-core.c，是Linux內(nèi)核用來維護(hù)和管理的I2C總線的核心部分，實(shí)現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動(dòng)的框架。I2C核心為總線提供了統(tǒng)一的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊、注銷及通信等功能。I2C核心是I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的橋梁。
　（2）I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)
　I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)主要包括了對應(yīng)具體硬件I2C控制器的I2C總線適配器i2c_adapter以及I2C總線適配器的通信傳輸算法i2c_algorithm以及總線驅(qū)動(dòng)控制適配器通信函數(shù)等，為I2C核心提供了底層支持，是與硬件相關(guān)的。需要注意的是，I2C總線驅(qū)動(dòng)程序只是提供了I2C總線的讀寫方法，其本身并不進(jìn)行任何通信，它只是等待設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用其函數(shù)來對具體的硬件設(shè)備進(jìn)行訪問。
?。?）I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
　I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要包括了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_driver（用于管理i2c_client）、i2c_client（掛在I2C總線上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）和需要根據(jù)具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)的成員函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的I2C驅(qū)動(dòng)程序也是一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過i2c-dev.c來進(jìn)行管理，包括open、release、read、write、ioctl和lseek等。
Linux內(nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架如圖2所示，其反映了I2C總線驅(qū)動(dòng)體系間的關(guān)系。

3 S3C2410中I2C總線驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)