如何在Linux環(huán)境下設計基于I2C總線的EEPROM 驅動程序？

1　引言

I2C　(Inter-Integrated　Circuit1總線是一種由Philips公司開發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象。筆者在開發(fā)基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛，I2C總線控制器的類型比較多，對系統(tǒng)提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設備主要有微控制器、EEPROM、實時時鐘、A/D轉換器等.MPC8250處理器正是通過內部的I2C總線控制器來和這些連接在I2C總線上的設備進行數(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設備驅動程序的設計者在設計驅動程序時采用了獨特的體系結構。使開發(fā)I2C總線設備驅動程序與開發(fā)一般設備驅動程序的方法具有很大差別。因此，開發(fā)I2C總線設備驅動程序除了要涉及一般Linux內核驅動程序的知識外.還要對I2C總線驅動的體系結構有深入的了解。筆者在開發(fā)過程中使用設備型號為AT24C01A的EEPROM　來測試I2C總線驅動。

2　工作原理概述

在介紹I2C總線結構之前。要搞清楚兩個概念：I2C總線控制器和I2C設備。I2C總線控制器為微控制器或微處理器提供控制I2C總線的接口，它控制所有I2C總線的特殊序列、協(xié)議、仲裁、時序，這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設備是指通過I2C總線與微控制器或微處理器相連的設備，如EEPROM、LCD驅動器等，這里指EEPROM。

在一個串行數(shù)據(jù)通道中.I2C總線控制器可以配置成主模式或從模式。開發(fā)過程中，MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設備;與總線相連的I2C設備為AT24C01A型EEPROM，作為從設備。主設備和從設備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主設備控制，主設備產(chǎn)生串行時鐘控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。

2.1　I2C總線控制器

I2C使用由串行數(shù)據(jù)線SDA　和串線時鐘線SCL組成的兩線結構來在外部集成電路與控制器之間交換數(shù)據(jù)。MPC8250的I2C總線控制器包括發(fā)送和接收單元、一個獨立的波特率發(fā)生器和一個控制單元。發(fā)送和接收單元使用相同的時鐘信號，如果I2C為主設備.那么時鐘信號由I2C的波特率發(fā)生器產(chǎn)生;如果I2C為從設備，時鐘信號則由外部提供。

SDA和SCL為雙向的，通過外部+3.3　V上拉電阻連接至正向電壓。當總線處于空閑狀態(tài)時，SDA和SCL都應是高電平，I2C通常的配置模式如圖1所示。

圖1　I2C配置模式

I2C的接收和發(fā)送單元均為雙緩存，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器到移位寄存器，以時鐘速率輸出到SDA線;在數(shù)據(jù)接收時，數(shù)據(jù)從SDA線進入移位寄存器，然后進入接收寄存器。

2.2　I2C總線控制器和EEPROM　的基本操作

I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型的信號，分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

開始信號：SCL為高電平時，SDA　由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù);

結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數(shù)據(jù)結束;

應答信號：接收數(shù)據(jù)的設備在接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，　向發(fā)送數(shù)據(jù)的設備發(fā)出特定的低電平脈沖.表示已收到數(shù)據(jù)。

當MPC8250的I2C總線空閑時，其SDA和SCL均為高電平，主設備通過發(fā)送一個開始信號啟動發(fā)送過程。這個信號的時序要求是當SCL為高時，SDA出現(xiàn)一個由高到低的電平跳變。在起始條件之后.必須是從設備的地址字節(jié)，其中高4位為器件類型識別符(不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010)，接著3位為片選，最后1位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作，如圖2所示。

圖2　EEPROM設備地址字節(jié)結構

如果主設備要向EEPROM　中寫數(shù)據(jù)，在地址字節(jié)中主設備向EEPROM發(fā)出一個寫請求(R/W=0)，發(fā)送的地址字節(jié)之后緊跟著要發(fā)送的數(shù)據(jù)。每發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后EEPROM就會產(chǎn)生一個應答信號，主設備也會監(jiān)控應答信號，如果在發(fā)送一個字節(jié)后EEPROM沒有返回應答信號，則主設備就會停止發(fā)送，并生成一個結束信號。寫操作的時序如圖3所示。

圖3　I2C主設備寫操作時序

要從EEPROM　中讀取數(shù)據(jù)時，應設置R/W=1。在EEPROM發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，主設備產(chǎn)生一個應答信號來響應，告知EEPROM主設備要求更多的數(shù)據(jù)，對應主設備產(chǎn)生的每個應答信號EEPROM將發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。當主設備不發(fā)送應答信號并隨后發(fā)送結束信號位時結束此操作。讀操作的時序如圖4所示。

圖4　I2C主設備讀操作時序

3　Linux中I2C總線驅動體系結構

在Linux系統(tǒng)中，對于一個給定的I2C總線硬件配置系統(tǒng)，I2C總線驅動程序體系結構由I2C總線驅動和I2C設備驅動組成。其中I2C總線驅動包括一個具體的控制器驅動和I2C總線的算法驅動.一個算法驅動適用于一類總線控制器.而一個具體的總線控制器驅動要使用某一種算法。例如，Linux內核中提供的算法i2e-algo-8260可以用在MPC82xx系列處理器提供的I2C總線控制器上。Linux內核中提供了一些常見處理器如MPC82xx系列的算法驅動。對于I2C設備，基本上每種具體設備都有自己的基本特性.其驅動程序一般都需要特別設計。

在I2C總線驅動程序體系結構中.使用數(shù)據(jù)結構Driver來表示I2C設備驅動，使用數(shù)據(jù)結構Client表示一個具體的I2C設備。而對于I2C總線

控制器，各種總線控制器在進行數(shù)據(jù)傳輸時采用的算法有好多種，使用相同算法的控制器提供的控制接口也可能不同。在I2C總線驅動程序體系結構中，用數(shù)據(jù)結構Algorithm來表示算法，用數(shù)據(jù)結構Adapter來表示不同的總線控制器。Linux內核的I2C總線驅動程序體系結構如圖5所示。