嵌入式Linux下的I2C設備驅動程序設計

　　0 引言

　　由于I2C總線的通用性，Linux作為一款優秀的嵌入式操作系統，也必須要對其要有很好的支持。在Linux內核源碼中對I2C總線的驅動是基于總線設備驅動模型的，其驅動程序用到了特殊的幾個數據結構，對I2C總線協議進行了更抽象更通用的定義，極大的增加了設備驅動的可移植性。要編寫出自己的I2C 設備驅動程序，必須對這種內核I2C總線驅動的架構有深刻的理解。

　　1 I2C總線的硬件構成

　　I2C 總線協議只有兩條總線線路，一條是串行數據線（SDA），一條是串行時鐘線（SCL）。SDA 負責數據的傳輸，SCL 負責數據傳輸的時鐘同步。I2C 設備通過這兩條總線連接到處理器的I2C總線控制器上，不同設備之間通過7 位地址來區別，而且數據的傳輸是雙向的，方向的確定由1位二進制數確定，地址位加方向位是操作I2C 設備的惟一標示，I2C 設備與CPU 的連接如圖1所示。

　　I2C 總線上有3 種類型的信號，分別是：開始信號，結束信號和應答信號。這些信號都是由SDA和SCL上的電平變化來表示的。

　　開始信號（S）：當SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，表示開始傳輸數據。

　　結束信號（P）：當SCL為高電平時，SDAY由低電平向高電平跳變，表示結束傳輸數據。

　　相應信號（ACK）：從機接收到8位數據后，在第9個時鐘周期，拉低SDA電平，表示已經接收到數據。

　　當總線空閑時，SDA 和SCL 都處于高電平，主機檢測到總線空閑就可以向從機發送數據。主機首先發送開始信號S,接著發出8位數據（包括前7位的從機地址和1 為的方向位），然后等待從機發回確認信號ACK.

　　當第8位為0時，表示向從機傳輸數據，主機收到確認信號后就可以連續的向從機寫入8 位數據；當第8 位為1時，表示向從讀取數據，這時主機就可以接收來自從機的一系列數據。最后當總個數據傳輸過程完成后，由主機發送結束信號P,表示本次的數據傳輸完成。

　　2 Linux 的I2C設備驅動程序的層次結構

　　因為I2C設備的種類繁多，如果為每一款I2C設備都編寫一個驅動程序，顯然不太現實也不太可能做到。所以，Linux中是對I2C 設備驅動采取了層次化處理，分為總線層和設備層。將I2C設備驅動的一些共同屬性抽象起來歸結起來作為總線層，而將具體I2C設備特殊操作作為設備層。在Linux中I2C設備驅動中用到的數據結構[4,7-8]的關系如圖2 所示。關于這部分代碼位于Linux內核源碼樹的/driver/i2c中。

　　理解這層次結構重點是要理解4個數據結構，分別是屬于設備層的i2c_driver 與i2c_client,屬于總線層的i2c_adapter與i2c_algorithm.下面分別對這四個數據結構做簡要的說明。

　　struct i2c_driver:具體的每一個I2C設備都應該對應著的一個驅動，這個結構體里面定義了Linux設備模型中用于I2C 總線管理的一系列函數指針和I2C 設備的信息。其中最重要的兩個成員是適配器檢測函數指針at-tach_adapter,和設備ID表id_table.

　　struct i2c_client:一個連接在SDA 和SCL 總線上的具體設備是由i2c_client結構體描述的，定義了兩個成員變量表示這個具體設備所對應的適配器和驅動。

　　struct i2c_adapter:此結構體表示CPU 里面具體的I2C控制器，本質上也是對應著一個物理設備，其中最要的成員變量是指向適配器驅動的程序的algo 結構體指針。

　　struct i2c_algorithm:里面定義了具體適配器驅動程序的函數指針。特別是master_xfer函數指針，這個函數實現了適配器最底層的操作方法，也是I2C設備驅動中總線層里面要編寫的重要函數。