基於Linux系統的多種串行總線統一接口的實現

2020-11-29 電子產品世界

摘要：基於Linux字符設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一接口。統一接口的應用層API與底層的具體總線操作形式無關，而且便於應用系統的升級和移植。文中給出了一種多種串行總線統一接口的實現方法，並以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例，驗證了新方法的可行性。
關鍵詞：統一接口；嵌入式系統：Linux；設備驅動；串行總線

0 引言
在Linux內核中單獨實現TTY、I2C、SPI、ISA、USB等多種總線驅動時，每一種總線的實現都有各自的特點，如參數設置不同，實現的結構不同等。以TTY、I2C為例，TTY採用的是基於線路規程的三層結構，而I2C則是基於用戶句柄和適配器的三層結構。當然，這些驅動都是功能齊全而強大的，但對於並不複雜的應用而言，這樣的控制是比較繁瑣的，而且，對於移植也是不利的。例如，某個應用系統原先使用一款I2C接口的時鐘晶片，但後來系統升級換成了一款SPI接口的時鐘晶片，這時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一接口的實現方法，並以ARM9為平臺，以I2C、1-Wire、SPI為例驗證了方法的可行性。

1 總線協議及其工作過程
多數的串行總線都基於主從結構，如果總線中包含了時鐘信號線，那麼，該時鐘信號就由主機提供，而如果還包含了片選信號，通常也由主機來控制。也就是說，主機發起通信，從機處於被動狀態，所以，對於總線時序的分析，只需討論主控制器端的時序，而從設備的時序就是它的逆向過程。
1．1 SPI協議及其工作過程
SPI總線是摩託羅拉公司提出的一種串行總線協議，該總線由4根基本的信號線組成，分別是CS、SI、SO、SCK。其中SCK是串行總線時鐘，由主設備提供；而SI、SO分別對應於數據輸入和數據輸出信號。在一主多從的系統中，片選信號決定當前有效的從設備。
SPI總線的工作過程是：首先，主機發起通信，通過片選信號激活從設備；然後，主機在串行時鐘SCK信號的同步下，將地址、命令、數據信息從串行數據輸出信號(相對主機而言)SI送出；而從設備則在SCK信號的同步下接收主機發送來的數據，並作出相應反應，最後將結果從數據輸入信號(相對主機而言)SO送出。
S3C2440中對SPI總線的控制，就是集中於對rSPCONn、rSPSTAn、rSPPINn、rSPPREn、rSPTDATn和rSPRDATn的控制。其中rSPCONn用於DMA設置、工作模式選擇、時鐘相位選擇，rSPSTAn用於控制器狀態查詢，rSPPINn用於多主機下出錯檢測和片選釋放，rSPPREn用於控制預分頻狀態寄存器，rSPTDATn是數據發送寄存器，rSPRDATn是數據接收寄存器。
1．2 I2C協議及其工作過程
I2C總線是由飛利浦公司提出的一種接口標準，該總線由SDA、SCL兩根信號線組成。其中SCL為時鐘信號，由主機提供，最大傳輸速率為400kb／s；而SDA為數據信號。連接到總線上的每一個設備都有一個唯一的地址，通過這個地址使得主機能夠找到目標從機並與之進行通信。
以主機發送為例，I2C總線的工作過程是：首先，主機控制時鐘信號SCL為高電平時，數據信號SDA產生一個下降沿，作為起始條件。然後，主機發出7位的從設備地址和1位R／W標誌，並激活將要與之通信的從設備，而從設備則會產生一個應答信號。對於寫數據，主機緊接著就將一個字符或一串數據寫入到從設備；而對於讀數據，則緊接著讀取從設備輸出的數據。
I2C總線中的S3C2440對I2C的控制主要集中於對rIICCON、rIICSTAT、rIICADD和rIICDS的控制。其中rIICCON用於時鐘源選擇、中斷控制和I2C控制器使能，rIICSTAT用於工作模式選擇、控制器狀態查詢，rIICADD是從設備地址(當S3C2440設置為從設備模式時使用)，rIICDS是發送接收移位寄存器。
1．3 1-Wire協議及其工作過程
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，同時用於時鐘、數據、命令的傳輸，具有資源利用率高、結構簡單、成本低廉、易於總線擴展等優點。
1-Wire總線工作過程：1-Wire總線包含復位、讀、寫三種基本時序。在復位狀態下，主機將總線拉低480～960 μs後釋放總線，由於上拉電阻的作用，此時的電平為高，等待15～60 μs之後，從設備將總線拉低表示復位成功。寫操作時，若寫入數據位為0，則主機將總線拉低60μs後釋放；若寫入數據位為1，則主機將總線拉低1～15 μs後釋放。由於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，對於時序的控制就要求得比較精確。

2 Linux下的統一驅動
這些總線有一些共性，也就是驅動要實現的內容，主要包括單字節數據收發、數據流收發以及工作模式控制等。在這些共性的基礎上，一般都需要向上層提供一個統一的接口，以使得對使用這些API的應用程式而言(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，還要對下層也提供一個通用接口，使得不同的總線都能與上層統一接口協調通信。該驅動的結構框架如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/148622.htm


本文主要討論的是總線驅動部分，而應用層和物理層在測試的時候，也可用兩個簡單的例子來驗證設計結果。
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