基于linux內核的i2c子系統驅動開發

桂宇琛李彥梅劉昊天郭 玉

（1.安慶師范大學物理與電氣工程學院；2.安慶師范大學數學與計算科學學院 安徽安慶 246133）

隨著科技的發展，嵌入式產品越來越豐富，從小孩的玩具，到航空科技，隨處可見嵌入式設備。而對于嵌入式系統，目前世界上使用廣泛的就是linux系統[1]。由于其自由，開源，Linux是使用用戶最多的操作系統，它也是一個強大的多用戶、多任務操作系統，支持多種處理器架構，具有可靠的系統安和良好的可移植性，所以成為了嵌入式開發系統的首選。

一個嵌入式產品分為硬件和軟件兩個部分[2]，而其主要架構如下圖 1所示：應用層主要是軟件，硬件層是外接的器件。在下圖中設備驅動層是具體硬件相關的實現，也是驅動開發中主要完成的部分。輸入核心層主要提供一些API供設備驅動層調用，通過這些API設備驅動層上報的數據就可以傳遞到事件處理層。事件處理層負責創建設備文件以及將上報的事件傳遞到用戶空間。

圖1 嵌入式產品的架構圖

一、i2C子系統的原理分析

對于一個嵌入式產品，硬件也是必不可少的部分，操作系統為了去驅動硬件，就需要將驅動硬件的方法融入內核中[3]。為了達到融合，設備驅動中就需要設計面向操作系統的接口。不同的操作系統，接口的格式就不同，這些接口由操作系統規定。本文使用Linux3.14內核的操作系統，針對i2C總線驅動編寫，做了一個詳細的介紹。

i2C通信協議相對于SPI和UART通信方式，有這占用接口少，速度快的特點。SPI通信需要四條線才能實現和CPU芯片通信，也就是占用了CPU芯片四個引腳。而UART通信方式雖然也只占兩條線，但是他沒有時序作為參考，通信的速度不能太快，否則會增加出錯的概率，所以為了兼顧速度和所占用的資源，i2C通信方式無疑是最好的選擇。所以i2C通信在嵌入式中應用廣泛，很多傳感器都會選擇i2C通信協議實現和CPU芯片實現數據交互。比如我們使用的MPU6050和溫度傳感器ML75等。

操作系統為了使用這些傳感器就需要編寫驅動程序[4]。考慮到傳感器設備是基于i2C總線而寫的，而不是直接使用platform總線，所以需要i2C控制器驅動和傳感器設備驅動同時工作。傳感器的驅動基本都是一樣，但是CPU芯片由于生產的公司不同，設計的i2C控制器就不同，這就導致了一個問題。每使用一個公司的芯片，就需要去編寫一次驅動，而很多工作重復性很高，為了提高效率，也就是考慮到移植問題，提出了一種i2C子系統的編寫模式，將i2C控制器驅動和從設備驅動分離，以提高驅動的移植性。下圖2描述了i2C子系統的設計框架和原理。

圖2 i2C子系統的設計框架和原理

從上圖可以看出將i2C控制器驅動器和從設備驅動分離，而linux內核為了使i2C控制器驅動和從設備驅動能夠更好的匹配，設定了一個標準，就是在I2C控制器和從設備驅動之間加入了一個標準的函數接口層i2c_core.c。i2C控制器由芯片生產商提供，不同的廠家可以不同，但是必須要提供統一的接口給從設備調用，這樣就規范了i2C子系統的驅動編寫，給工程師的使用帶來了便利[5]。從上面的框架圖中可以看出，linux不僅規范了i2C控制器驅動的編寫，在linux內核中i2c-dev.c已經實現實現好了通用的IIC從設備驅動，所以我們編寫的驅動可以使用linux提供的通用的i2C控制器驅動，我們也可以自定義去編寫。下面就詳細的闡述從這兩個方面去編寫i2C子系統驅動。

二、基于I2C-dev通用驅動框架編寫應用程序

i2C通用驅動會為SOC芯片上的每一個i2C控制器生成一個設備號為89的設備節點，用戶空間可以通過i2c設備節點，訪問i2c控制器。每個i2c控制器的編號從0開始，對應i2c設備文件的次設備號[6]。使用通用的i2C控制器驅動，首先就要配置linux內核，linux3.14版本通用的驅動在文件i2c-dev.c，我們要將該文件編譯進內核。i2c-dev.c實現的從設備驅動中，并不包括實際的從設備操作方法。它只是在提供給應用層一個設備文件，通過這個設備文件就可以找到特定的i2c控制器設備，。而i2c-dev.c的通用從設備驅動操作i2c從設備分為下面三個步驟：

1.首先確定從設備是由哪一個i2c控制器控制。

2.通過i2c控制器的設備文件，找到i2c控制器。

3.我么將i2c從設備的信息，發送給i2c控制器，然后i2c控制器收到從設備的信息后，解析從設備的信息，從而發出i2c總線時序，這樣就可以和i2c從設備通信。

而在應用層對應硬件信息的描述，linux定義了一個特定的結構體i2c_msg，用于描述i2c從設備的硬件信息，然后調用ioctrl函數將找個結構體傳遞到i2c控制器，控制器會進行解析，然后做出相應的應答。

從上面的分析可知，linux提供的通用I2C控制器驅動，為了達到通用的效果，linux內核提供的i2C控制器驅動就沒有具體的硬件信息，僅僅是封裝了一些函數通用的函數，如open，read，write，ioctl。應用層的工程師需要在應用層填寫從設備的硬件信息，然后通過函數去調用底層驅動接口。雖然這樣做很便捷，但是給應用層的工程師帶來了開發的難度，他們不僅要了解應用層的開發知識，還需要知道硬件的知識，去了解電路圖和芯片手冊。

三、自定義從設備驅動編寫

自定義從設備驅動，就是將從設備的驅動封裝在底層，然后提供一些應用工程師熟悉的函數接口，應用層不需要管是什么從設備，不用關心i2C總線上接的什么傳感器，他們只需要調用相應的函數就可以了，這樣就給應用層的開發帶來了便利。

i2c從設備驅動是基于i2c總線而編寫的，對于總線編寫驅動的原理，我們使用“總線”“設備”“驅動”的框架去闡述[7]。arm芯片為了提高驅動的移植性，提出了AMBA總線的標準，工程師根據這個標準去編寫驅動，而不是根據自己去定義，這些總線都是標準的，所有的SOC芯片都是一樣的。外圍設備按照速度的不同掛載在SOC內部的不同速度總線上。如表1所示列出了部分總線：

表1 總線分類表

同樣為了提高移植性，驅動和設備分離，驅動中不包含硬件信息，而在設備描述硬件信息。總線會維護兩條鏈表，分別管理設備和驅動，當一個設備被注冊到總線上的時候，總線會根據其名字搜索對應的驅動，如果找到就將設備信息導入驅動程序并執行驅動；當一個驅動被注冊到平臺總線的時候，總線也會搜索設備。總之，平臺總線負責將設備信息和驅動代碼匹配，這樣就可以做到驅動和設備信息的分離[8]。注冊設備的流程圖和注冊驅動的流程圖如下圖所示：

圖3 注冊設備的流程圖

注冊設備的時候，一旦注冊進內核，內核就會根據設備的名字去找同名的驅動，如本文設定的設備名字為led，那么內核就會去驅動鏈表中找led名字的驅動，發現目標匹配成功后就會調用驅動的probe函數。這個函數的作用就是獲取匹配后的硬件資源并注冊字符設備。同樣，在注冊驅動的時候，內核也會根據這個驅動的名字led去設備鏈表上同名的設備。同樣在匹配成功后調用probe函數。

圖4 注冊驅動的流程圖

驅動和設備文件是通過文件進行匹配，也就是如果要想設備和驅動最終能夠互相匹配，就必須將設備的名字和驅動的名字設置為一樣的。若驅動提供了id_table，則那設備名和id_table進行比較。若驅動沒有提供id_table，則直接使用驅動名和設備名進行匹配。

四、總結

本文基于linux3.14內核，分析了i2c子系統的原理和實現框架，最后將驅動移植到硬件平臺上，并且編寫測試程序，成功讀取了MUP6050里關于加速度的相關參數。

[1]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[2]胡祖寶,董國通.基于S3C2440的嵌入式Linux內核移植及字符設備驅動開發[J].工業控制計算機,2015,28(12).

[3]Dong Yu Zhang.Design of Touch Screen Driver Based on Linux[J].KeyEngineeringMaterials,2011,1104(467):818-822.

[4]王新勇.基于ARM的Linux驅動開發研究[D].南昌：江西理工大學，2011.

[5]XuDongChen,LingChengKong,ZhiHuaZhang,DanWang,Tao Mei.Design of USB Interface Driver for WSNs Node Tester Based on Embedded Linux[J].Applied Mechanics and Materials,2011,1069(40):266-271.

[6]Peter H.Welch,Herman W.Roebbers,Jan F.Broenink,Frederick R.M.Barnes,Carl G.Ritson,Adam T.Sampson,Gardiner S.Stiles,Brian Vinter,Arjen Klomp,Herman Roebbers,Ruud Derwig,Leon Bouwmeester.Designing a Mathematically Verified ICDeviceDriverUsingASD[M].IOSPress:2009.

[7]王巖,王子牛.嵌入式Linux設備驅動程序開發[J].貴州工業大學學報（自然科學版），2008，37（1）.

[8]汪海兵.嵌入式Linxu的研究與應用[D].昆明：昆明理工大學，2002.