Linux环境下基于I2C总线的EEPROM 驱动程序

　　Ｉ２Ｃ　（Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ１总线是一种由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司开发的２线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。在主从通信中，可有多个Ｉ２Ｃ总线器件同时接到Ｉ２Ｃ总线上，通过地址来识别通信对象。笔者在开发基于ＭＰＣ８２５０的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的过程中发现Ｉ２Ｃ总线在嵌入式系统中应用广泛，Ｉ２Ｃ总线控制器的类型比较多，对系统提供的操作接口差别也很大。与Ｉ２Ｃ总线相连的从设备主要有微控制器、ＥＥＰＲＯＭ、实时时钟、Ａ／Ｄ转换器等．ＭＰＣ８２５０处理器正是通过内部的Ｉ２Ｃ总线控制器来和这些连接在Ｉ２Ｃ总线上的设备进行数据交换的。由于Ｉ２Ｃ总线的特性，Ｌｉｎｕｘ的Ｉ２Ｃ总线设备驱动程序的设计者在设计驱动程序时采用了独特的体系结构。使开发Ｉ２Ｃ总线设备驱动程序与开发一般设备驱动程序的方法具有很大差别。因此，开发Ｉ２Ｃ总线设备驱动程序除了要涉及一般Ｌｉｎｕｘ内核驱动程序的知识外．还要对Ｉ２Ｃ总线驱动的体系结构有深入的了解。笔者在开发过程中使用设备型号为ＡＴ２４Ｃ０１Ａ的ＥＥＰＲＯＭ　来测试Ｉ２Ｃ总线驱动。

　　２　工作原理概述

　　在介绍Ｉ２Ｃ总线结构之前。要搞清楚两个概念：Ｉ２Ｃ总线控制器和Ｉ２Ｃ设备。Ｉ２Ｃ总线控制器为微控制器或微处理器提供控制Ｉ２Ｃ总线的接口，它控制所有Ｉ２Ｃ总线的特殊序列、协议、仲裁、时序，这里指ＭＰＣ８２５０提供的Ｉ２Ｃ总线控制接口。Ｉ２Ｃ设备是指通过Ｉ２Ｃ总线与微控制器或微处理器相连的设备，如ＥＥＰＲＯＭ、ＬＣＤ驱动器等，这里指ＥＥＰＲＯＭ。

　　在一个串行数据通道中．Ｉ２Ｃ总线控制器可以配置成主模式或从模式。开发过程中，ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ总线控制器工作在主模式，作为主设备；与总线相连的Ｉ２Ｃ设备为ＡＴ２４Ｃ０１Ａ型ＥＥＰＲＯＭ，作为从设备。主设备和从设备都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主设备控制，主设备产生串行时钟控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。

　　２．１　Ｉ２Ｃ总线控制器

　　Ｉ２Ｃ使用由串行数据线ＳＤＡ　和串线时钟线ＳＣＬ组成的两线结构来在外部集成电路与控制器之间交换数据。ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ总线控制器包括发送和接收单元、一个独立的波特率发生器和一个控制单元。发送和接收单元使用相同的时钟信号，如果Ｉ２Ｃ为主设备．那么时钟信号由Ｉ２Ｃ的波特率发生器产生；如果Ｉ２Ｃ为从设备，时钟信号则由外部提供。

　　ＳＤＡ和ＳＣＬ为双向的，通过外部＋３．３　Ｖ上拉电阻连接至正向电压。当总线处于空闲状态时，ＳＤＡ和ＳＣＬ都应是高电平，Ｉ２Ｃ通常的配置模式如图１所示。

　　图１　Ｉ２Ｃ配置模式

　　Ｉ２Ｃ的接收和发送单元均为双缓存，在数据发送时，数据从发送数据寄存器到移位寄存器，以时钟速率输出到ＳＤＡ线；在数据接收时，数据从ＳＤＡ线进入移位寄存器，然后进入接收寄存器。

　　２．２　Ｉ２Ｃ总线控制器和ＥＥＰＲＯＭ　的基本操作

　　Ｉ２Ｃ总线在传送数据过程中共有３种类型的信号，分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

　　开始信号：ＳＣＬ为高电平时，ＳＤＡ　由高电平向低电平跳变，开始传送数据；

　　结束信号：ＳＣＬ为高电平时，ＳＤＡ由低电平向高电平跳变，传送数据结束；

　　应答信号：接收数据的设备在接收到一个字节数据后，　向发送数据的设备发出特定的低电平脉冲．表示已收到数据。

　　当ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ总线空闲时，其ＳＤＡ和ＳＣＬ均为高电平，主设备通过发送一个开始信号启动发送过程。这个信号的时序要求是当ＳＣＬ为高时，ＳＤＡ出现一个由高到低的电平跳变。在起始条件之后．必须是从设备的地址字节，其中高４位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，ＥＥＰＲＯＭ一般应为１０１０），接着３位为片选，最后１位为读写位，当为１时为读操作，为０时为写操作，如图２所示。

　　图２　ＥＥＰＲＯＭ设备地址字节结构

　　如果主设备要向ＥＥＰＲＯＭ　中写数据，在地址字节中主设备向ＥＥＰＲＯＭ发出一个写请求（Ｒ／Ｗ＝０），发送的地址字节之后紧跟着要发送的数据。每发送一个字节的数据后ＥＥＰＲＯＭ就会产生一个应答信号，主设备也会监控应答信号，如果在发送一个字节后ＥＥＰＲＯＭ没有返回应答信号，则主设备就会停止发送，并生成一个结束信号。写操作的时序如图３所示。

　　图３　Ｉ２Ｃ主设备写操作时序

　　要从ＥＥＰＲＯＭ　中读取数据时，应设置Ｒ／Ｗ＝１。在ＥＥＰＲＯＭ发送完一个字节的数据后，主设备产生一个应答信号来响应，告知ＥＥＰＲＯＭ主设备要求更多的数据，对应主设备产生的每个应答信号ＥＥＰＲＯＭ将发送一个字节的数据。当主设备不发送应答信号并随后发送结束信号位时结束此操作。读操作的时序如图４所示。

　　图４　Ｉ２Ｃ主设备读操作时序

　　３　Ｌｉｎｕｘ中Ｉ２Ｃ总线驱动体系结构

　　在Ｌｉｎｕｘ系统中，对于一个给定的Ｉ２Ｃ总线硬件配置系统，Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构由Ｉ２Ｃ总线驱动和Ｉ２Ｃ设备驱动组成。其中Ｉ２Ｃ总线驱动包括一个具体的控制器驱动和Ｉ２Ｃ总线的算法驱动．一个算法驱动适用于一类总线控制器．而一个具体的总线控制器驱动要使用某一种算法。例如，Ｌｉｎｕｘ内核中提供的算法ｉ２ｅ－ａｌｇｏ－８２６０可以用在ＭＰＣ８２ｘｘ系列处理器提供的Ｉ２Ｃ总线控制器上。Ｌｉｎｕｘ内核中提供了一些常见处理器如ＭＰＣ８２ｘｘ系列的算法驱动。对于Ｉ２Ｃ设备，基本上每种具体设备都有自己的基本特性．其驱动程序一般都需要特别设计。

　　在Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构中．使用数据结构Ｄｒｉｖｅｒ来表示Ｉ２Ｃ设备驱动，使用数据结构Ｃｌｉｅｎｔ表示一个具体的Ｉ２Ｃ设备。而对于Ｉ２Ｃ总线

　　控制器，各种总线控制器在进行数据传输时采用的算法有好多种，使用相同算法的控制器提供的控制接口也可能不同。在Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构中，用数据结构Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ来表示算法，用数据结构Ａｄａｐｔｅｒ来表示不同的总线控制器。Ｌｉｎｕｘ内核的Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构如图５所示。

　　图５　Ｌｉｎｕｘ内核Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构

　　在图５中，一个Ｃｌｉｅｎｔ对象对应一个具体的Ｉ２Ｃ总线设备，而一种Ｉ２Ｃ设备的Ｄｒｉｖｅｒ可以同时支持多个Ｃｌｉｅｎｔ。每个Ａｄａｐｔｅｒ对应一个具体的Ｉ２Ｃ总线控制器．不同的Ｉ２Ｃ总线控制器可以使用相同的算法Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ。ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ是Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构的核心，在这个模块中，除了为总线设备驱动提供了一些统一的调用接口来访问具体的总线驱动程序功能，以进行读写或设置操作外，还提供了将各种支持的总线设备驱动和总线驱动添加到这个体系中的方法，以及当不再使用这些驱动时将其从体系中删除的方法。ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ将总线驱动程序体系一分为二，相互独立。可以针对某个Ｉ２Ｃ总线设备来设计一个Ｉ２Ｃ设备驱动程序，而不需要关心系统的Ｉ２Ｃ总线控制器是何种类型，所以提高了其可移植性。另一方面，在设计Ｉ２Ｃ总线驱动时也可以不要考虑其将用来支持何种设备。因为ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ提供了统一的接口，所以也为设计这两类驱动

　　提供了方便。

　　４　开发实例

　　Ｌｉｎｕｘ内核已经提供了Ｉ２Ｃ驱动中所需要的基本模块。ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ、ｉ２ｃ－ｄｅｖ和ｉ２ｃ－ｐｒｏｃ是总线控制器和Ｉ２Ｃ设备所需要的核心模块。对于ＭＰＣ８２５０处理器，内核中还有ＭＰＣ８２６０的算法模块ｉ２ｃ－ａｌｇｏ－８２６０，它也适用于ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ控制接口。这些模块程序在默认条件下是不会被编译到内核里的，所以需要在配置Ｌｉｎｕｘ内核时把这些模块选中。在笔者的开发中需要实现的是Ｉ２Ｃ总线控制器驱动和Ｉ２Ｃ设备ＥＥＰＲＯＭ驱动。

　　４．１　Ｉ２Ｃ总线控制器驱动的设计

　　ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ总线驱动程序由ｉ２ｃ－ａｌｇｏ－８２６０算法模块和ＭＰＣ８２５０具体的Ｉ２Ｃ总线控制器驱动组成。其中ｉ２ｃ－ａｌｇｏ－８２６０算法模块已经在内核中实现，所以主要实现ＦＣ总线控制器驱动。

　　ｉ２ｃ－ａｌｇｏ－８２６０算法模块主要用来描述ＭＰＣ８２ｘｘ处理器如何在Ｉ２Ｃ总线上传输数据。该模块中主要实现了ＭＰＣ８２ｘｘ处理器上Ｉ２Ｃ总线的初始化、读写、ｉｏｃｔｌ控制和中断请求等功能。另外，还有ｉ２ｃ＿８２６０＿ａｄｄ＿ｂｕｓ和ｉ２ｃ＿８２６０＿ｄｅｌ＿ｂｕｓ两个函数，它们是使用这个算法的Ａｄａｐｔｅｒ初始化时和退出时调用的函数，用来注册和注销一个总线控制器，需要从模块导出。这些函数功能都被封装在一个ｉ２ｃ－ａｌｇｏｒｉｔｈｍ结构中，传递给使用这个算法的Ａｄａｐｔｅｒ。算法模块中这些函数需要调用特定控制器模块中的函数来实现具体的操作。

　　在Ｉ２Ｃ总线控制器驱动模块中主要要实现两个结构体ｉ２ｃ＿ａｄａｐｔｅｒ和ｉ２ｃ＿ａｌｇｏ＿８２６０＿ｄａｔａ，定义这两个结构中的函数指针成员．并且用己经初始化好的ｉ２ｃ＿ａｌｇｏ＿８２６ｏ＿ｄａｔａ结构来初始化ｓｔｒｕｃｔ　ｉ２ｃ＿ａｄａｐｔｅｒ结构的ａｌｇｏ＿ｄａｔａ成员变量。其中，定义ｉ２ｅ＿ａｌｇｏ＿８２６０＿ｄａｔａ结构为：

　　ｓｔｒｕｃｔ　ｉ２ｃ＿ａｌｇｏ＿８２６０＿ｄａｔａ　ｒｗ８２５０＿ｄａｔａ＝｛

　　ｓｅｔｉｓｒ：ｒｗ８２５０＿ｉｎｓｔａｌｌ＿ｉｓｒ

　　｝；

　　这里的成员变量ｒｗ８２５０＿ｉｎｓｔａｌｌ＿＿ｉｓｒ提供了ＭＰＣ８２５０的Ｉ２Ｃ总线控制器向内核申请中端请求的功能。结构体ｉ２ｃ＿ａｄａｐｔｅｒ定义如下：

　　ｓｔｒｕｃｔ　ｉ２ｃ＿ａｄａｐｔｅｒ　ｒｗ８２５０＿ｏｐｓ＝｛＂ｒｗ８２５０＂，Ｉ２Ｃ＿ＨＷ＿

　　ＭＰＣ８２５０＿ＲＷ８２５０，ＮＵＬＬ，＆ｒｗ８２５０＿ｄａｔａ，ｒｗ８２５０＿ｉｎｃ＿ｕｓｅ，ｒｗ８２５０＿ｄｅｃ＿ｕｓｅ，ｒｗ８２５０＿ｒｅｇ，ｒｗ８２５０＿ｕｎｒｅｇ，｝；

　　其中，＂ｒｗ８２５０＂是该总线控制器的标识名，宏名Ｉ２Ｃ＿ＨＷ＿ＭＰＣ８２５０＿ＲＷ８２５０定义了内核中注册该适配器的ＩＤ号，而成员函数ｒｗ８２５０＿ｉｎｃ＿ｕｓｅ和ｒｗ８２５０＿ｄｅｃ＿ｕｓｅ用来增加和减少内核使用该模块的次数。

　　另外，该模块还要完成一个注册模块时的初始化函数ｒｗ８２５０＿ｉｉｃ＿ｉｎｉｔ，在该函数中要初始化Ｉ２Ｃ控制器使用的通用端口号ＰｏｒｔＤ１４、ＰｏｒｔＤ１５，并在双端口ＲＡＭ　中为发送和接受数据的缓冲区分配空间。函数ｒｗ８２５０＿ｉｉｃ＿ｉｎｉｔ在进行模块初始化时将被ｉｎｉｔ＿ｍｏｄｕｌｅ调用。

　　总之。Ｉ２Ｃ控制器模块中设计的这些函数都是为ｉ２ｃ＿ａｌｇｏ＿８６５０算法模块服务的．最后需要封装在ｉ２ｃ－ａｄａｐｔｅｒ结构中．通过ｉ２ｃ＿ａｌｇｏ＿８２６０＿ｄａｔａ算法模块中输出的接口函数传递给算法模块。

　　４．２　Ｉ２Ｃ设备驱动的设计

　　Ｉ２Ｃ设备ＥＥＰＲＯＭ　驱动除了要根据ＥＥＰＲＯＭ的具体特性进行设计外．还要考虑Ｉ２Ｃ总线驱动程序体系结构的特性。在ＥＥＰＲＯＭ设备驱动程序中需要实现一个ｉ２ｃ＿ｄｒｉｖｅｒ结构．每个对应于具体设备的Ｃｌｉｅｎｔ都从这个结构来构造。在ｉ２ｃ＿ｄｒｉｖｅｒ结构中有两个函数ａｔｔａｃｈ＿ａｄａｐｔｅｒ和ｄｅｔａｃｈ＿ｃｌｉｅｎｔ必须要实现。ｉ２ｃ＿ｄｒｉｖｅｒ结构的定义如下：

　　ｓｔｒｕｃｔ　ｉ２ｃ＿ｄｒｉｖｅｒ　ｅｅｐｒｏｍ＿ｄｒｉｖｅｒ　＝　｛

　　／＊ｎａｍｅ＊／　＂Ｉ２Ｃ＿ＥＥＰＲＯＭ＿ＤＲＩＶＥＲ＂，／＊ｉｄ＊／Ｉ２Ｃ＿ＤＲＩＶＥＲＩＤ＿ＥＥＰＲＯＭ，

　　／＊ｆｌａｇｓ＊／　Ｉ２Ｃ＿ＤＦ＿ＮＯＴＩＦＹ，／＊ａｔｔａｃｈ＿　ａｄａｐｔｅｒ＊／＆ｅｅｐｒｏｍ＿ａｔｔａｃｈ＿ａｄａｐｔｅｒ，／＊ｄｅｔａｃｈ＿ｃｌｉｅｎｔ　＊／＆ｅｅｐｒｏｍ＿ｄｅｔａｃｈ＿ｃｌｉｅｎｔ，

　　／＊ｃｏｍｍａｎｄ＊／＆ｅｅｐｒｏｍ＿ｃｏｍｍａｎｄ，／＊ｉｎｃ＿ｕｓｅ＊／　＆ｅｅｐｒｏｍ＿ｉｎｃ＿ｕｓｅ，／＊ｄｅｃ＿ｕｓｅ＊／　＆ｅｅｐｒｏｍ＿ｄｅｃ＿ｕｓｅ

　　｝；

　　在设备驱动中。向ＥＥＰＲＯＭ　写数据通过调用ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ提供的ｉ２ｃ＿ｍａｓｔｅｒ＿ｓｅｎｄ函数来完成。从ＥＥＰＲＯＭ　读取数据通过另一个函数ｉ２ｃ＿ｍａｓｔｅｒ＿ｒｅａｄ来完成。与一般设备驱动不同的地方就是在ＥＥＰＲＯＭ驱动模块初始函数中要调用ｉ２ｃ－ｃｏｒｅ提供的ｉ２ｃ＿ａｄｄ＿ｄｒｉｖｅｒ函数来注册该设备。在模块退出函数中调用ｉ２ｃ＿ｄｅｌ＿ｄｒｉｖｅｒ函数来注销该设备。

　　５　结束语

　　Ｉ２Ｃ总线具有控制简单、通信速率高等优点，作为一种２线双向同步串行数据总线，它为嵌入式系统设计提供了一种完善的集成电路间的串行总线扩展技术，大大简化了应用系统的硬件设计，为实现应用系统的模块化设计创造了极为有利的条件。同时，在很多情况下需要对系统中的某些动态信息进行掉电保护。在数据量不太大的场合下，通过Ｉ２Ｃ总线连接的ＥＥＰＲＯＭ在这方面就比较能发挥作用。而Ｌｉｎｕｘ作为一种新的操作系统，目前在嵌入式系统中的应用非常广泛。其发展前景无法估量。由于Ｌｉｎｕｘ源码开放，且非常易于移植，为其编写设备驱动程序相对容易。本文介绍了Ｌｉｎｕｘ下Ｉ２Ｃ总线ＥＥＰＲＯＭ驱动程序的一般设计方法。