基于Linux系統(tǒng)的多種串行總線統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)

摘要：基于Linux字符設(shè)備操作接口和各類串行總線的共性，按照分層的思想，抽象出各種總線的統(tǒng)一接口。統(tǒng)一接口的應(yīng)用層API與底層的具體總線操作形式無關(guān)，而且便于應(yīng)用系統(tǒng)的升級和移植。文中給出了一種多種串行總線統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方法，并以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例，驗(yàn)證了新方法的可行性。
關(guān)鍵詞：統(tǒng)一接口；嵌入式系統(tǒng)：Linux；設(shè)備驅(qū)動；串行總線

0 引言
在Linux內(nèi)核中單獨(dú)實(shí)現(xiàn)TTY、I2C、SPI、ISA、USB等多種總線驅(qū)動時(shí)，每一種總線的實(shí)現(xiàn)都有各自的特點(diǎn)，如參數(shù)設(shè)置不同，實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)不同等。以TTY、I2C為例，TTY采用的是基于線路規(guī)程的三層結(jié)構(gòu)，而I2C則是基于用戶句柄和適配器的三層結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這些驅(qū)動都是功能齊全而強(qiáng)大的，但對于并不復(fù)雜的應(yīng)用而言，這樣的控制是比較繁瑣的，而且，對于移植也是不利的。例如，某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)原先使用一款I(lǐng)2C接口的時(shí)鐘芯片，但后來系統(tǒng)升級換成了一款SPI接口的時(shí)鐘芯片，這時(shí)就不得不對程序做較大的改動了。本文給出了一種多種串行總線統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方法，并以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例驗(yàn)證了方法的可行性。

1 總線協(xié)議及其工作過程
多數(shù)的串行總線都基于主從結(jié)構(gòu)，如果總線中包含了時(shí)鐘信號線，那么，該時(shí)鐘信號就由主機(jī)提供，而如果還包含了片選信號，通常也由主機(jī)來控制。也就是說，主機(jī)發(fā)起通信，從機(jī)處于被動狀態(tài)，所以，對于總線時(shí)序的分析，只需討論主控制器端的時(shí)序，而從設(shè)備的時(shí)序就是它的逆向過程。
1．1 SPI協(xié)議及其工作過程
SPI總線是摩托羅拉公司提出的一種串行總線協(xié)議，該總線由4根基本的信號線組成，分別是CS、SI、SO、SCK。其中SCK是串行總線時(shí)鐘，由主設(shè)備提供；而SI、SO分別對應(yīng)于數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出信號。在一主多從的系統(tǒng)中，片選信號決定當(dāng)前有效的從設(shè)備。
SPI總線的工作過程是：首先，主機(jī)發(fā)起通信，通過片選信號激活從設(shè)備；然后，主機(jī)在串行時(shí)鐘SCK信號的同步下，將地址、命令、數(shù)據(jù)信息從串行數(shù)據(jù)輸出信號(相對主機(jī)而言)SI送出；而從設(shè)備則在SCK信號的同步下接收主機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)反應(yīng)，最后將結(jié)果從數(shù)據(jù)輸入信號(相對主機(jī)而言)SO送出。
S3C2440中對SPI總線的控制，就是集中于對rSPCONn、rSPSTAn、rSPPINn、rSPPREn、rSPTDATn和rSPRDATn的控制。其中rSPCONn用于DMA設(shè)置、工作模式選擇、時(shí)鐘相位選擇，rSPSTAn用于控制器狀態(tài)查詢，rSPPINn用于多主機(jī)下出錯(cuò)檢測和片選釋放，rSPPREn用于控制預(yù)分頻狀態(tài)寄存器，rSPTDATn是數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器，rSPRDATn是數(shù)據(jù)接收寄存器。
1．2 I2C協(xié)議及其工作過程
I2C總線是由飛利浦公司提出的一種接口標(biāo)準(zhǔn)，該總線由SDA、SCL兩根信號線組成。其中SCL為時(shí)鐘信號，由主機(jī)提供，最大傳輸速率為400kb／s；而SDA為數(shù)據(jù)信號。連接到總線上的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，通過這個(gè)地址使得主機(jī)能夠找到目標(biāo)從機(jī)并與之進(jìn)行通信。
以主機(jī)發(fā)送為例，I2C總線的工作過程是：首先，主機(jī)控制時(shí)鐘信號SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)信號SDA產(chǎn)生一個(gè)下降沿，作為起始條件。然后，主機(jī)發(fā)出7位的從設(shè)備地址和1位R／W標(biāo)志，并激活將要與之通信的從設(shè)備，而從設(shè)備則會產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號。對于寫數(shù)據(jù)，主機(jī)緊接著就將一個(gè)字符或一串?dāng)?shù)據(jù)寫入到從設(shè)備；而對于讀數(shù)據(jù)，則緊接著讀取從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)。
I2C總線中的S3C2440對I2C的控制主要集中于對rIICCON、rIICSTAT、rIICADD和rIICDS的控制。其中rIICCON用于時(shí)鐘源選擇、中斷控制和I2C控制器使能，rIICSTAT用于工作模式選擇、控制器狀態(tài)查詢，rIICADD是從設(shè)備地址(當(dāng)S3C2440設(shè)置為從設(shè)備模式時(shí)使用)，rIICDS是發(fā)送接收移位寄存器。
1．3 1-Wire協(xié)議及其工作過程
1-Wire總線是Maxim全資子公司Dallas提出的一種總線接口。1-Wire總線與其他的串行總線有比較大的區(qū)別：普通的串行總線通常由兩根或兩根以上的信號線組成；而1-Wire總線僅有一根信號線，同時(shí)用于時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、命令的傳輸，具有資源利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于總線擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
1-Wire總線工作過程：1-Wire總線包含復(fù)位、讀、寫三種基本時(shí)序。在復(fù)位狀態(tài)下，主機(jī)將總線拉低480～960 μs后釋放總線，由于上拉電阻的作用，此時(shí)的電平為高，等待15～60 μs之后，從設(shè)備將總線拉低表示復(fù)位成功。寫操作時(shí)，若寫入數(shù)據(jù)位為0，則主機(jī)將總線拉低60μs后釋放；若寫入數(shù)據(jù)位為1，則主機(jī)將總線拉低1～15 μs后釋放。由于很少有控制器集成了1-Wire總線控制器，所以，一般使用GPIO模擬的方式，這時(shí)，對于時(shí)序的控制就要求得比較精確。

2 Linux下的統(tǒng)一驅(qū)動
這些總線有一些共性，也就是驅(qū)動要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，主要包括單字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)流收發(fā)以及工作模式控制等。在這些共性的基礎(chǔ)上，一般都需要向上層提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，以使得對使用這些API的應(yīng)用程序而言(下層總線無論是RS-232、SPI、I2C，還是1-Wire)都不需要做任何改變。同時(shí)，還要對下層也提供一個(gè)通用接口，使得不同的總線都能與上層統(tǒng)一接口協(xié)調(diào)通信。該驅(qū)動的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

本文主要討論的是總線驅(qū)動部分，而應(yīng)用層和物理層在測試的時(shí)候，也可用兩個(gè)簡單的例子來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。