實戰經驗吐血推薦:怎樣在Linux環境下輕鬆實現基於I2C總線的EEPROM...

　　1引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/279351.htm

　　I2C (Inter-Integrated Circuit1總線是一種由Philips公司開發的2線式串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備。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。筆者在開發基於MPC8250的嵌入式Linux系統的過程中發現I2C總線在嵌入式系統中應用廣泛，I2C總線控制器的類型比較多，對系統提供的操作接口差別也很大。與I2C總線相連的從設備主要有微控制器、EEPROM、實時時鐘、A/D轉換器等。MPC8250處理器正是通過內部的I2C總線控制器來和這些連接在I2C總線上的設備進行數據交換的。由於I2C總線的特性，Linux的I2C總線設備驅動程序的設計者在設計驅動程序時採用了獨特的體系結構。使開發I2C總線設備驅動程序與開發一般設備驅動程序的方法具有很大差別。因此，開發I2C總線設備驅動程序除了要涉及一般Linux內核驅動程序的知識外。還要對I2C總線驅動的體系結構有深入的了解。筆者在開發過程中使用設備型號為AT24C01A的EEPROM來測試I2C總線驅動。

　　2工作原理概述

　　在介紹I2C總線結構之前。要搞清楚兩個概念：I2C總線控制器和I2C設備。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、協議、仲裁、時序，這裡指MPC8250提供的I2C總線控制接口。I2C設備是指通過I2C總線與微控制器或微處理器相連的設備，如EEPROM、LCD驅動器等，這裡指EEPROM.

　　在一個串行數據通道中。I2C總線控制器可以配置成主模式或從模式。開發過程中，MPC8250的I2C總線控制器工作在主模式，作為主設備;與總線相連的I2C設備為AT24C01A型EEPROM，作為從設備。主設備和從設備都可以工作於接收和發送狀態。總線必須由主設備控制，主設備產生串行時鐘控制總線的傳輸方向，並產生起始和停止條件。

　　2.1 I2C總線控制器

　　I2C使用由串行數據線SDA和串線時鐘線SCL組成的兩線結構來在外部集成電路與控制器之間交換數據。MPC8250的I2C總線控制器包括發送和接收單元、一個獨立的波特率發生器和一個控制單元。發送和接收單元使用相同的時鐘信號，如果I2C為主設備。那麼時鐘信號由I2C的波特率發生器產生;如果I2C為從設備，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。當總線處於空閒狀態時，SDA和SCL都應是高電平，I2C通常的配置模式如圖1所示。

　　

 

　　圖1 I2C配置模式

　　I2C的接收和發送單元均為雙緩存，在數據發送時，數據從發送數據寄存器到移位寄存器，以時鐘速率輸出到SDA線;在數據接收時，數據從SDA線進入移位寄存器，然後進入接收寄存器。

　　2.2 I2C總線控制器和EEPROM的基本操作

　　I2C總線在傳送數據過程中共有3種類型的信號，分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

　　開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據;

　　結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，傳送數據結束;

　　應答信號：接收數據的設備在接收到一個字節數據後，向發送數據的設備發出特定的低電平脈衝。表示已收到數據。

　　當MPC8250的I2C總線空閒時，其SDA和SCL均為高電平，主設備通過發送一個開始信號啟動發送過程。這個信號的時序要求是當SCL為高時，SDA出現一個由高到低的電平跳變。在起始條件之後。必須是從設備的地址字節，其中高4位為器件類型識別符(不同的晶片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010)，接著3位為片選，最後1位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作，如圖2所示。

　　

 

　　圖2 EEPROM設備地址字節結構

　　如果主設備要向EEPROM中寫數據，在地址字節中主設備向EEPROM發出一個寫請求(R/W=0)，發送的地址字節之後緊跟著要發送的數據。每發送一個字節的數據後EEPROM就會產生一個應答信號，主設備也會監控應答信號，如果在發送一個字節後EEPROM沒有返回應答信號，則主設備就會停止發送，並生成一個結束信號。寫操作的時序如圖3所示。

　　

 

　　圖3 I2C主設備寫操作時序

　　要從EEPROM中讀取數據時，應設置R/W=1.在EEPROM發送完一個字節的數據後，主設備產生一個應答信號來響應，告知EEPROM主設備要求更多的數據，對應主設備產生的每個應答信號EEPROM將發送一個字節的數據。當主設備不發送應答信號並隨後發送結束信號位時結束此操作。讀操作的時序如圖4所示。

　　

 

　　圖4 I2C主設備讀操作時序

　　3 Linux中I2C總線驅動體系結構

　　在Linux系統中，對於一個給定的I2C總線硬體配置系統，I2C總線驅動程序體系結構由I2C總線驅動和I2C設備驅動組成。其中I2C總線驅動包括一個具體的控制器驅動和I2C總線的算法驅動。一個算法驅動適用於一類總線控制器。而一個具體的總線控制器驅動要使用某一種算法。例如，Linux內核中提供的算法i2e-algo-8260可以用在MPC82xx系列處理器提供的I2C總線控制器上。Linux內核中提供了一些常見處理器如MPC82xx系列的算法驅動。對於I2C設備，基本上每種具體設備都有自己的基本特性。其驅動程序一般都需要特別設計。

　　在I2C總線驅動程序體系結構中。使用數據結構Driver來表示I2C設備驅動，使用數據結構Client表示一個具體的I2C設備。而對於I2C總線控制器，各種總線控制器在進行數據傳輸時採用的算法有好多種，使用相同算法的控制器提供的控制接口也可能不同。在I2C總線驅動程序體系結構中，用數據結構Algorithm來表示算法，用數據結構Adapter來表示不同的總線控制器。Linux內核的I2C總線驅動程序體系結構如圖5所示。

　　

 

　　圖5 Linux內核I2C總線驅動程序體系結構

　　在圖5中，一個Client對象對應一個具體的I2C總線設備，而一種I2C設備的Driver可以同時支持多個Client.每個Adapter對應一個具體的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總線驅動程序體系結構的核心，在這個模塊中，除了為總線設備驅動提供了一些統一的調用接口來訪問具體的總線驅動程序功能，以進行讀寫或設置操作外，還提供了將各種支持的總線設備驅動和總線驅動添加到這個體系中的方法，以及當不再使用這些驅動時將其從體系中刪除的方法。i2c-core將總線驅動程序體系一分為二，相互獨立。可以針對某個I2C總線設備來設計一個I2C設備驅動程序，而不需要關心系統的I2C總線控制器是何種類型，所以提高了其可移植性。另一方面，在設計I2C總線驅動時也可以不要考慮其將用來支持何種設備。因為i2c-core提供了統一的接口，所以也為設計這兩類驅動提供了方便。

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