如何在Linux環(huán)境下設(shè)計基于I2C總線的EEPROM 驅(qū)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(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(yīng)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(shè)備主要有微控制器、EEPROM、實時時鐘、A/D轉(zhuǎn)換器等.MPC8250處理器正是通過內(nèi)部的I2C總線控制器來和這些連接在I2C總線上的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的。由于I2C總線的特性，Linux的I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計者在設(shè)計驅(qū)動程序時采用了獨特的體系結(jié)構(gòu)。使開發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序與開發(fā)一般設(shè)備驅(qū)動程序的方法具有很大差別。因此，開發(fā)I2C總線設(shè)備驅(qū)動程序除了要涉及一般Linux內(nèi)核驅(qū)動程序的知識外.還要對I2C總線驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)有深入的了解。筆者在開發(fā)過程中使用設(shè)備型號為AT24C01A的EEPROM　來測試I2C總線驅(qū)動。

2　工作原理概述

在介紹I2C總線結(jié)構(gòu)之前。要搞清楚兩個概念：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、時序，這里指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設(shè)備是指通過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(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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，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　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(jié)束信號和應(yīng)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(jié)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(jié)束;

應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的設(shè)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(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，其SDA和SCL均為高電平，主設(shè)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(dāng)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(shè)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(yīng)為1010)，接著3位為片選，最后1位為讀寫位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作，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　中寫數(shù)據(jù)，在地址字節(jié)中主設(shè)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(yīng)答信號，主設(shè)備也會監(jiān)控應(yīng)答信號，如果在發(fā)送一個字節(jié)后EEPROM沒有返回應(yīng)答信號，則主設(shè)備就會停止發(fā)送，并生成一個結(jié)束信號。寫操作的時序如圖3所示。

圖3　I2C主設(shè)備寫操作時序

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

圖4　I2C主設(shè)備讀操作時序

3　Linux中I2C總線驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)

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(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)由I2C總線驅(qū)動和I2C設(shè)備驅(qū)動組成。其中I2C總線驅(qū)動包括一個具體的控制器驅(qū)動和I2C總線的算法驅(qū)動.一個算法驅(qū)動適用于一類總線控制器.而一個具體的總線控制器驅(qū)動要使用某一種算法。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處理器如MPC82xx系列的算法驅(qū)動。對于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)動程序一般都需要特別設(shè)計。

在I2C總線驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)中.使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Driver來表示I2C設(shè)備驅(qū)動，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Client表示一個具體的I2C設(shè)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(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)中，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Algorithm來表示算法，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Adapter來表示不同的總線控制器。Linux內(nèi)核的I2C總線驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。