摘 要：针对I2C总线的特点，Linux内核中定义了I2C驱动体系结构。在分析Linux的I2C总线驱动体系结构基础上，介绍了在S3C2410中设计I2C总线驱动的方法。
关键词：ARM-Linux；I2C体系结构；I2C总线驱动程序

　I2C总线是一种串行数据传输标准总线，使用数据线SDA和时钟线SCL就可实现设备间的数据交互，它使得电路系统结构设计简单，具有使用方便、通信速率高等优点。因此，在嵌入式系统中，I2C总线被广泛地应用在与RAM、EEPROM、RTC等设备间的接口电路中。近年来，随着嵌入式系统应用不断升温，Linux凭借源码开放、内核稳定以及可裁剪性强等优点成为在通信、工业控制、消费电子等领域的主流操作系统。而Linux设备驱动程序是所有Linux应用系统中不可或缺的组成部分，是现在Linux开发中的热门领域。Linux内核已经把I2C总线协议定义为内核驱动的一部分，并形成了一种体系结构。本文正是在研究I2C总线驱动体系结构基础上，提出了其在S3C2410中实现的基本方法。
1 I2C总线
　I2C总线是由双向数据传输线SDA和时钟线SCL构成的二线制串行总线，可构成主从和多主系统。I2C总线多采用主从双向通信，即总线上在某一时刻只有一个主设备，总线上的其他设备都作为从设备。任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主设备，但是在同一时间内只能有一个设备作为主设备（通常为微控制器），其他每个I2C器件作为从设备与主设备进行通信，它们都有唯一的地址用来识别。
I2C总线的时序图[1]如图1所示。

　从图1可以看到，I2C总线在传送数据过程中使用了三种信号[2]。（1）开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示将要开始传送数据；（2）应答信号：从设备在接收到1 B数据后，向主设备发出一个低电平脉冲应答信号，表示已收到数据，主设备根据从设备的应答信号做出是否继续传输数据的操作（I2C总线每次数据传输时字节数不限制，但是每发送1 B都要有一个应答信号）；（3）结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示数据传送结束。
I2C总线具体的通信工作原理如下：主设备首先发出开始信号，接着发送1 B的数据，其由高7 bit地址码和最低1 bit方向位组成（方向位表明主设备与从设备间数据的传送方向）。系统中所有从设备将自己的地址与主设备发送到总线上的地址进行比较，如果从设备地址与总线上的地址相同，该设备就是与主设备进行数据传输的设备。接着进行数据传输，根据方向位，主设备接收从设备数据或发送数据到从设备。当数据传送完成后，主设备发出一个停止信号，释放I2C总线，然后所有从设备等待下一个开始信号的到来。
2 系统硬件设计
2.1 Linux驱动程序
　设备驱动程序是Linux内核的重要组成部分，是操作系统内核与底层硬件之间的接口。在ARM系统中，每个物理设备都有自己的控制器，每个硬件控制器都有自己的控制状态寄存器（CSR），并且各不相同。这些寄存器用来启动、停止、初始化设备，并对设备进行诊断，对硬件的控制主要是针对这些寄存器进行操作。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的底层细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个文件，应用程序通过对应的设备驱动程序中定义的通信接口（write、read和ioctl等）像操作普通文件一样实现对硬件设备的操作，简化了对设备的访问，使得应用程序的编写相对简单。
设备驱动程序一般有以下功能[3]：对硬件设备的初始化、加载和释放；对设备进行管理，包括实时参数设置以及提供对设备的统一操作接口；读取应用程序传递给设备文件的数据或回送应用程序请求的数据；检测或处理设备出现的错误等。
　Linux内核将打开、关闭、读/写和ioctl等所有相关操作封装在一个结构体file_operations中，设备驱动程序利用结构体file_operations与文件系统联系起来。另外还要使用module_init（）和module_exit（）两个宏。module_init（）的本质是在.initcall.init段使用空间中定义的一个指向初始化函数的指针。设备驱动程序通过调用代码段中设备初始化函数，完成初始化硬件和向内核注册设备驱动程序。module_exit（）功能与module_init（）相反。
2.2 I2C总线驱动体系结构
　直接数字频率合成器（DDS）是一种产生模拟波形的方法，其通常是通过数字形式的时间转换信号再执行数模转换产生正弦波。因为DDS设备的运行基于数字，所以能够在输出频率、正弦波频率分解和运行于宽频率频谱之间相互转换。本系统采用DDS AD9833作为超声波发射单元的脉冲生成器，AD9833是可编程的，通过高速串口外围接口（SPI），只需要一个外部时钟去产生简单的正弦波就可以工作了。AD9833可以在基于25 MHz的时钟下产生0~12.5 MHz的波形[6]。
　I2C设备在Linux下完全可以作为一个字符设备，可以根据需要编写一个字符设备驱动程序来支持I2C通信。但是由于I2C总线是一种标准总线，在PC和嵌入式系统中都得到了广泛的应用，Linux专门为I2C总线定义了I2C驱动程序体系结构[4]，使驱动程序有统一的接口，方便了驱动设计者设计，也便于移植。
在Linux系统中，I2C总线驱动体系由I2C核心、总线适配器驱动和设备驱动三部分组成。
　（1）I2C核心
　I2C核心即i2c-core.c，是Linux内核用来维护和管理的I2C总线的核心部分，实现了I2C总线驱动的框架。I2C核心为总线提供了统一的接口函数，实现了I2C总线驱动和设备驱动的注册、注销及通信等功能。I2C核心是I2C总线适配器驱动和设备驱动之间的桥梁。
　（2）I2C总线适配器驱动
　I2C总线适配器驱动主要包括了对应具体硬件I2C控制器的I2C总线适配器i2c_adapter以及I2C总线适配器的通信传输算法i2c_algorithm以及总线驱动控制适配器通信函数等，为I2C核心提供了底层支持，是与硬件相关的。需要注意的是，I2C总线驱动程序只是提供了I2C总线的读写方法，其本身并不进行任何通信，它只是等待设备驱动调用其函数来对具体的硬件设备进行访问。
　（3）I2C设备驱动程序
　I2C设备驱动程序通过I2C总线适配器驱动与具体的硬件设备进行通信。I2C设备驱动程序中主要包括了数据结构i2c_driver（用于管理i2c_client）、i2c_client（挂在I2C总线上的设备驱动程序）和需要根据具体设备实现的成员函数。标准的I2C驱动程序也是一个字符设备驱动程序，通过i2c-dev.c来进行管理，包括open、release、read、write、ioctl和lseek等。
Linux内核I2C总线驱动程序构架如图2所示，其反映了I2C总线驱动体系间的关系。

3 S3C2410中I2C总线驱动程序的实现

　S3C2410处理器集成了I2C总线控制器，支持主、从模式，通过对它的4个寄存器I2CCON、I2CSTAT、I2CDS和I2CADD的操作就可以方便地对I2C总线进行控制。此外，S3C2410还为I2C总线提供了一个中断号为27的I2C总线中断，这样可以在编写数据发送和接收程序时使用中断来完成。
由于I2C核心提供了统一的、不需要修改的接口函数，因此驱动程序开发者只需要实现特定的I2C总线适配器驱动和I2C设备驱动，这样大大提高了嵌入式 Linux的I2C总线驱动程序的移植性[5]。
3.1 I2C总线适配器驱动的实现
　对于S3C2410上的I2C总线驱动程序，按照I2C驱动程序体系结构与硬件的对应关系，首先需要给S3C2410的I2C控制器添加对应的I2C总线适配器驱动程序，即填充结构体i2c_adapter。其通过i2c-core中的接口函数i2c_add_adapter将i2c_adapter和i2c_algorithm注册到操作系统中。
　再者，实现S3C2410中I2C适配器的通信方法，主要实现i2c_algorithm中处理I2C消息的函数master_xfer（）。master_xfer（）负责S3C2410中I2C控制器的寄存器，用于产生I2C访问周期需要的函数，以i2c_msg（即I2C消息）为单位，以此控制I2C总线发送和接收数据的方法。另外，函数需实现functionality（）函数，其只返回一个algorithm所支持的通信传输模式，较容易实现。
3.2 设备驱动程序的实现
　首先在芯片的总线适配器驱动程序中需要实现一个i2c_driver结构并设置I2C芯片的初始化和卸载函数，实现i2c_driver中的数据成员attach_adapter和detach_client。初始化时，向系统注册一个I2C字符设备，接着使用函数i2c_add_driver（）注册一个I2C驱动管理结构体i2c_driver，使I2C芯片相应结构中的成员attach_adapter执行，进而调用I2C核心的i2c_probe（）遍历所有的i2c_adapter，当地址参数与芯片设备地址一致时，则会调用结构i2c_driver中detach_client成员函数来初始化芯片的i2c_client结构，最后通过I2C核心提供的i2c_attach_client向I2C总线适配器i2c_adapter来注册该芯片的I2C设备[6]。I2C总线识别这个设备后就会调用相应的i2c_driver驱动该设备。
　在应用层实现用户程序访问I2C设备的结构file_operations接口函数，包括打开、释放、读/写和ioctl等标准文件操作的接口函数。open（）和release（）这两个函数已经在内核中实现，read（）和write（）函数用来实现用户和系统内核之间相互传递数据，进而实现对设备的读写操作，它们分别调用了I2C核心的i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函数来构造一条I2C消息并在一个读写周期内进行传输。ioctl（）函数则用来向用户提供一些命令以控制具体芯片设备，因为不同芯片实现数据传递需要的时序是不同的，针对具体的芯片，应用程序需要通过构造i2c_rdwr_ioctl_data结构体来给内核传递一条或数条I2C消息，从而实现控制数据传输的读写周期。
　I2C总线由于具有电路结构简单、使用方便、通信速率高等优点，已在嵌入式系统中得到了广泛的应用。本文在介绍了I2C总线和分析了Linux系统下I2C总线的体系结构基础上，以S3C2410为例，给出了在其中编写I2C总线驱动程序的基本开发过程。
参考文献
[1] 朱瑜亮，黄晓革.数字温度传感器DS1621在Linux下的I2C接口驱动设计[J].电子设计工程，2011，19（2）：133-136.
[2] 李俊.嵌入式Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3] BECK M，BOHME H，DZIADZKA M，等.Linux内核编程指南[M].张瑜，杨继萍，等，译.北京：清华大学出版社，2004.
[4] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[5] 李祥兵，郑扣根．Linux中I2C总线驱动程序的开发[J].计算机工程与设计，2005，26（1）：41-43．
[6] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.