Linux環(huán)境下基于I2C總線的EEPROM 驅(qū)動(dòng)程序
?。桑玻谩。ǎ桑睿簦澹颍桑睿簦澹纾颍幔簦澹洹。茫椋颍悖酰椋簦笨偩€是一種由Philips公司開(kāi)發(fā)的2線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)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(jiǎn)單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中,可有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上,通過(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)象。筆者在開(kāi)發(fā)基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,I2C總線控制器的類(lèi)型比較多,對(duì)系統(tǒng)提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設(shè)備主要有微控制器、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換器等.MPC8250處理器正是通過(guò)內(nèi)部的I2C總線控制器來(lái)和這些連接在I2C總線上的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性,Linux的I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)采用了獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)。使開(kāi)發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與開(kāi)發(fā)一般設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法具有很大差別。因此,開(kāi)發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序除了要涉及一般Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的知識(shí)外.還要對(duì)I2C總線驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)有深入的了解。筆者在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用設(shè)備型號(hào)為AT24C01A的EEPROM 來(lái)測(cè)試I2C總線驅(qū)動(dòng)。
?。病」ぷ髟砀攀?/FONT>
在介紹I2C總線結(jié)構(gòu)之前。要搞清楚兩個(gè)概念:I2C總線控制器和I2C設(shè)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(shí)序,這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設(shè)備是指通過(guò)I2C總線與微控制器或微處理器相連的設(shè)備,如EEPROM、LCD驅(qū)動(dòng)器等,這里指EEPROM。
在一個(gè)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(kāi)發(fā)過(guò)程中,MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式,作為主設(shè)備;與總線相連的I2C設(shè)備為AT24C01A型EEPROM,作為從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)??偩€必須由主設(shè)備控制,主設(shè)備產(chǎn)生串行時(shí)鐘控制總線的傳輸方向,并產(chǎn)生起始和停止條件。
?。玻薄。桑玻每偩€控制器
?。桑玻檬褂糜纱袛?shù)據(jù)線SDA 和串線時(shí)鐘線SCL組成的兩線結(jié)構(gòu)來(lái)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(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器和一個(gè)控制單元。發(fā)送和接收單元使用相同的時(shí)鐘信號(hào),如果I2C為主設(shè)備.那么時(shí)鐘信號(hào)由I2C的波特率發(fā)生器產(chǎn)生;如果I2C為從設(shè)備,時(shí)鐘信號(hào)則由外部提供。
?。樱模梁停樱茫虨殡p向的,通過(guò)外部+3.3 V上拉電阻連接至正向電壓。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí),SDA和SCL都應(yīng)是高電平,I2C通常的配置模式如圖1所示。
圖1?。桑玻门渲媚J?/FONT>
?。桑玻玫慕邮蘸桶l(fā)送單元均為雙緩存,在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器到移位寄存器,以時(shí)鐘速率輸出到SDA線;在數(shù)據(jù)接收時(shí),數(shù)據(jù)從SDA線進(jìn)入移位寄存器,然后進(jìn)入接收寄存器。
?。玻病。桑玻每偩€控制器和EEPROM 的基本操作
?。桑玻每偩€在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有3種類(lèi)型的信號(hào),分別是:開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。
開(kāi)始信號(hào):SCL為高電平時(shí),SDA 由高電平向低電平跳變,開(kāi)始傳送數(shù)據(jù);
結(jié)束信號(hào):SCL為高電平時(shí),SDA由低電平向高電平跳變,傳送數(shù)據(jù)結(jié)束;
應(yīng)答信號(hào):接收數(shù)據(jù)的設(shè)備在接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后, 向發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)出特定的低電平脈沖.表示已收到數(shù)據(jù)。
當(dāng)MPC8250的I2C總線空閑時(shí),其SDA和SCL均為高電平,主設(shè)備通過(guò)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。這個(gè)信號(hào)的時(shí)序要求是當(dāng)SCL為高時(shí),SDA出現(xiàn)一個(gè)由高到低的電平跳變。在起始條件之后.必須是從設(shè)備的地址字節(jié),其中高4位為器件類(lèi)型識(shí)別符(不同的芯片類(lèi)型有不同的定義,EEPROM一般應(yīng)為1010),接著3位為片選,最后1位為讀寫(xiě)位,當(dāng)為1時(shí)為讀操作,為0時(shí)為寫(xiě)操作,如圖2所示。
圖2 EEPROM設(shè)備地址字節(jié)結(jié)構(gòu)
如果主設(shè)備要向EEPROM 中寫(xiě)數(shù)據(jù),在地址字節(jié)中主設(shè)備向EEPROM發(fā)出一個(gè)寫(xiě)請(qǐng)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后EEPROM就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào),主設(shè)備也會(huì)監(jiān)控應(yīng)答信號(hào),如果在發(fā)送一個(gè)字節(jié)后EEPROM沒(méi)有返回應(yīng)答信號(hào),則主設(shè)備就會(huì)停止發(fā)送,并生成一個(gè)結(jié)束信號(hào)。寫(xiě)操作的時(shí)序如圖3所示。
圖3?。桑玻弥髟O(shè)備寫(xiě)操作時(shí)序
要從EEPROM 中讀取數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)設(shè)置R/W=1。在EEPROM發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后,主設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來(lái)響應(yīng),告知EEPROM主設(shè)備要求更多的數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)主設(shè)備產(chǎn)生的每個(gè)應(yīng)答信號(hào)EEPROM將發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)主設(shè)備不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)并隨后發(fā)送結(jié)束信號(hào)位時(shí)結(jié)束此操作。讀操作的時(shí)序如圖4所示。
圖4 I2C主設(shè)備讀操作時(shí)序
?。场。蹋椋睿酰校桑玻每偩€驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)
在Linux系統(tǒng)中,對(duì)于一個(gè)給定的I2C總線硬件配置系統(tǒng),I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)由I2C總線驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成。其中I2C總線驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)具體的控制器驅(qū)動(dòng)和I2C總線的算法驅(qū)動(dòng).一個(gè)算法驅(qū)動(dòng)適用于一類(lèi)總線控制器.而一個(gè)具體的總線控制器驅(qū)動(dòng)要使用某一種算法。例如,Linux內(nèi)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(nèi)核中提供了一些常見(jiàn)處理器如MPC82xx系列的算法驅(qū)動(dòng)。對(duì)于I2C設(shè)備,基本上每種具體設(shè)備都有自己的基本特性.其驅(qū)動(dòng)程序一般都需要特別設(shè)計(jì)。
在I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)中.使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Driver來(lái)表示I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng),使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Client表示一個(gè)具體的I2C設(shè)備。而對(duì)于I2C總線
控制器,各種總線控制器在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)中,用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Algorithm來(lái)表示算法,用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Adapter來(lái)表示不同的總線控制器。Linux內(nèi)核的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5?。蹋椋睿酰鴥?nèi)核I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)
在圖5中,一個(gè)Client對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的I2C總線設(shè)備,而一種I2C設(shè)備的Driver可以同時(shí)支持多個(gè)Client。每個(gè)Adapter?qū)?yīng)一個(gè)具體的I2C總線控制器.不同的I2C總線控制器可以使用相同的算法Algorithm。i2c-core是I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的核心,在這個(gè)模塊中,除了為總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了一些統(tǒng)一的調(diào)用接口來(lái)訪問(wèn)具體的總線驅(qū)動(dòng)程序功能,以進(jìn)行讀寫(xiě)或設(shè)置操作外,還提供了將各種支持的總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)和總線驅(qū)動(dòng)添加到這個(gè)體系中的方法,以及當(dāng)不再使用這些驅(qū)動(dòng)時(shí)將其從體系中刪除的方法。i2c-core將總線驅(qū)動(dòng)程序體系一分為二,相互獨(dú)立。可以針對(duì)某個(gè)I2C總線設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,而不需要關(guān)心系統(tǒng)的I2C總線控制器是何種類(lèi)型,所以提高了其可移植性。另一方面,在設(shè)計(jì)I2C總線驅(qū)動(dòng)時(shí)也可以不要考慮其將用來(lái)支持何種設(shè)備。因?yàn)椋椋玻悖悖铮颍逄峁┝私y(tǒng)一的接口,所以也為設(shè)計(jì)這兩類(lèi)驅(qū)動(dòng)
提供了方便。
?。础¢_(kāi)發(fā)實(shí)例
?。蹋椋睿酰鴥?nèi)核已經(jīng)提供了I2C驅(qū)動(dòng)中所需要的基本模塊。i2c-core、i2c-dev和i2c-proc是總線控制器和I2C設(shè)備所需要的核心模塊。對(duì)于MPC8250處理器,內(nèi)核中還有MPC8260的算法模塊i2c-algo-8260,它也適用于MPC8250的I2C控制接口。這些模塊程序在默認(rèn)條件下是不會(huì)被編譯到內(nèi)核里的,所以需要在配置Linux內(nèi)核時(shí)把這些模塊選中。在筆者的開(kāi)發(fā)中需要實(shí)現(xiàn)的是I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備EEPROM驅(qū)動(dòng)。
?。矗薄。桑玻每偩€控制器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
?。停校茫福玻担暗模桑玻每偩€驅(qū)動(dòng)程序由i2c-algo-8260算法模塊和MPC8250具體的I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)組成。其中i2c-algo-8260算法模塊已經(jīng)在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn),所以主要實(shí)現(xiàn)FC總線控制器驅(qū)動(dòng)。
i2c-algo-8260算法模塊主要用來(lái)描述MPC82xx處理器如何在I2C總線上傳輸數(shù)據(jù)。該模塊中主要實(shí)現(xiàn)了MPC82xx處理器上I2C總線的初始化、讀寫(xiě)、ioctl控制和中斷請(qǐng)求等功能。另外,還有i2c_8260_add_bus和i2c_8260_del_bus兩個(gè)函數(shù),它們是使用這個(gè)算法的Adapter初始化時(shí)和退出時(shí)調(diào)用的函數(shù),用來(lái)注冊(cè)和注銷(xiāo)一個(gè)總線控制器,需要從模塊導(dǎo)出。這些函數(shù)功能都被封裝在一個(gè)i2c-algorithm結(jié)構(gòu)中,傳遞給使用這個(gè)算法的Adapter。算法模塊中這些函數(shù)需要調(diào)用特定控制器模塊中的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作。
在I2C總線控制器驅(qū)動(dòng)模塊中主要要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體i2c_adapter和i2c_algo_8260_data,定義這兩個(gè)結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針成員.并且用己經(jīng)初始化好的i2c_algo_826o_data結(jié)構(gòu)來(lái)初始化struct?。椋玻悖撸幔洌幔穑簦澹蚪Y(jié)構(gòu)的algo_data成員變量。其中,定義i2e_algo_8260_data結(jié)構(gòu)為:
?。螅簦颍酰悖簟。椋玻悖撸幔欤纾铮撸福玻叮埃撸洌幔簦帷。颍鳎福玻担埃撸洌幔簦幔剑?/FONT>
?。螅澹簦椋螅颍海颍鳎福玻担埃撸椋睿螅簦幔欤欤撸椋螅?/FONT>
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這里的成員變量rw8250_install__isr提供了MPC8250的I2C總線控制器向內(nèi)核申請(qǐng)中端請(qǐng)求的功能。結(jié)構(gòu)體i2c_adapter定義如下:
struct?。椋玻悖撸幔洌幔穑簦澹颉。颍鳎福玻担埃撸铮穑螅剑ⅲ颍鳎福玻担埃?,I2C_HW_
MPC8250_RW8250,NULL,&rw8250_data,rw8250_inc_use,rw8250_dec_use,rw8250_reg,rw8250_unreg,};
其中,"rw8250"是該總線控制器的標(biāo)識(shí)名,宏名I2C_HW_MPC8250_RW8250定義了內(nèi)核中注冊(cè)該適配器的ID號(hào),而成員函數(shù)rw8250_inc_use和rw8250_dec_use用來(lái)增加和減少內(nèi)核使用該模塊的次數(shù)。
另外,該模塊還要完成一個(gè)注冊(cè)模塊時(shí)的初始化函數(shù)rw8250_iic_init,在該函數(shù)中要初始化I2C控制器使用的通用端口號(hào)PortD14、PortD15,并在雙端口RAM 中為發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)分配空間。函數(shù)rw8250_iic_init在進(jìn)行模塊初始化時(shí)將被init_module調(diào)用。
總之。I2C控制器模塊中設(shè)計(jì)的這些函數(shù)都是為i2c_algo_8650算法模塊服務(wù)的.最后需要封裝在i2c-adapter結(jié)構(gòu)中.通過(guò)i2c_algo_8260_data算法模塊中輸出的接口函數(shù)傳遞給算法模塊。
?。矗病。桑玻迷O(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
?。桑玻迷O(shè)備EEPROM 驅(qū)動(dòng)除了要根據(jù)EEPROM的具體特性進(jìn)行設(shè)計(jì)外.還要考慮I2C總線驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的特性。在EEPROM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)i2c_driver結(jié)構(gòu).每個(gè)對(duì)應(yīng)于具體設(shè)備的Client都從這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造。在i2c_driver結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)函數(shù)attach_adapter和detach_client必須要實(shí)現(xiàn)。i2c_driver結(jié)構(gòu)的定義如下:
struct?。椋玻悖撸洌颍椋觯澹颉。澹澹穑颍铮恚撸洌颍椋觯澹颉。健。?/FONT>
?。睿幔恚澹。ⅲ桑玻茫撸牛牛校遥希停撸模遥桑郑牛遥ⅲ椋洌桑玻茫撸模遥桑郑牛遥桑模撸牛牛校遥希?,
?。妫欤幔纾螅。桑玻茫撸模疲撸危希裕桑疲?,/*attach_?。幔洌幔穑簦澹颍Γ澹澹穑颍铮恚撸幔簦簦幔悖瑁撸幔洌幔穑簦澹颍洌澹簦幔悖瑁撸悖欤椋澹睿簟。Γ澹澹穑颍铮恚撸洌澹簦幔悖瑁撸悖欤椋澹睿?,
/*command*/&eeprom_command,/*inc_use*/?。Γ澹澹穑颍铮恚撸椋睿悖撸酰螅澹洌澹悖撸酰螅澹。Γ澹澹穑颍铮恚撸洌澹悖撸酰螅?/FONT>
?。?;
在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中。向EEPROM 寫(xiě)數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用i2c-core提供的i2c_master_send函數(shù)來(lái)完成。從EEPROM 讀取數(shù)據(jù)通過(guò)另一個(gè)函數(shù)i2c_master_read來(lái)完成。與一般設(shè)備驅(qū)動(dòng)不同的地方就是在EEPROM驅(qū)動(dòng)模塊初始函數(shù)中要調(diào)用i2c-core提供的i2c_add_driver函數(shù)來(lái)注冊(cè)該設(shè)備。在模塊退出函數(shù)中調(diào)用i2c_del_driver函數(shù)來(lái)注銷(xiāo)該設(shè)備。
?。怠〗Y(jié)束語(yǔ)
I2C總線具有控制簡(jiǎn)單、通信速率高等優(yōu)點(diǎn),作為一種2線雙向同步串行數(shù)據(jù)總線,它為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種完善的集成電路間的串行總線擴(kuò)展技術(shù),大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了極為有利的條件。同時(shí),在很多情況下需要對(duì)系統(tǒng)中的某些動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行掉電保護(hù)。在數(shù)據(jù)量不太大的場(chǎng)合下,通過(guò)I2C總線連接的EEPROM在這方面就比較能發(fā)揮作用。而Linux作為一種新的操作系統(tǒng),目前在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。其發(fā)展前景無(wú)法估量。由于Linux源碼開(kāi)放,且非常易于移植,為其編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)容易。本文介紹了Linux下I2C總線EEPROM驅(qū)動(dòng)程序的一般設(shè)計(jì)方法。
評(píng)論