基于linux内核的i2c子系统驱动开发

桂宇琛李彦梅刘昊天郭 玉

（1.安庆师范大学物理与电气工程学院；2.安庆师范大学数学与计算科学学院 安徽安庆 246133）

随着科技的发展，嵌入式产品越来越丰富，从小孩的玩具，到航空科技，随处可见嵌入式设备。而对于嵌入式系统，目前世界上使用广泛的就是linux系统[1]。由于其自由，开源，Linux是使用用户最多的操作系统，它也是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，具有可靠的系统安和良好的可移植性，所以成为了嵌入式开发系统的首选。

一个嵌入式产品分为硬件和软件两个部分[2]，而其主要架构如下图 1所示：应用层主要是软件，硬件层是外接的器件。在下图中设备驱动层是具体硬件相关的实现，也是驱动开发中主要完成的部分。输入核心层主要提供一些API供设备驱动层调用，通过这些API设备驱动层上报的数据就可以传递到事件处理层。事件处理层负责创建设备文件以及将上报的事件传递到用户空间。

图1 嵌入式产品的架构图

一、i2C子系统的原理分析

对于一个嵌入式产品，硬件也是必不可少的部分，操作系统为了去驱动硬件，就需要将驱动硬件的方法融入内核中[3]。为了达到融合，设备驱动中就需要设计面向操作系统的接口。不同的操作系统，接口的格式就不同，这些接口由操作系统规定。本文使用Linux3.14内核的操作系统，针对i2C总线驱动编写，做了一个详细的介绍。

i2C通信协议相对于SPI和UART通信方式，有这占用接口少，速度快的特点。SPI通信需要四条线才能实现和CPU芯片通信，也就是占用了CPU芯片四个引脚。而UART通信方式虽然也只占两条线，但是他没有时序作为参考，通信的速度不能太快，否则会增加出错的概率，所以为了兼顾速度和所占用的资源，i2C通信方式无疑是最好的选择。所以i2C通信在嵌入式中应用广泛，很多传感器都会选择i2C通信协议实现和CPU芯片实现数据交互。比如我们使用的MPU6050和温度传感器ML75等。

操作系统为了使用这些传感器就需要编写驱动程序[4]。考虑到传感器设备是基于i2C总线而写的，而不是直接使用platform总线，所以需要i2C控制器驱动和传感器设备驱动同时工作。传感器的驱动基本都是一样，但是CPU芯片由于生产的公司不同，设计的i2C控制器就不同，这就导致了一个问题。每使用一个公司的芯片，就需要去编写一次驱动，而很多工作重复性很高，为了提高效率，也就是考虑到移植问题，提出了一种i2C子系统的编写模式，将i2C控制器驱动和从设备驱动分离，以提高驱动的移植性。下图2描述了i2C子系统的设计框架和原理。

图2 i2C子系统的设计框架和原理

从上图可以看出将i2C控制器驱动器和从设备驱动分离，而linux内核为了使i2C控制器驱动和从设备驱动能够更好的匹配，设定了一个标准，就是在I2C控制器和从设备驱动之间加入了一个标准的函数接口层i2c_core.c。i2C控制器由芯片生产商提供，不同的厂家可以不同，但是必须要提供统一的接口给从设备调用，这样就规范了i2C子系统的驱动编写，给工程师的使用带来了便利[5]。从上面的框架图中可以看出，linux不仅规范了i2C控制器驱动的编写，在linux内核中i2c-dev.c已经实现实现好了通用的IIC从设备驱动，所以我们编写的驱动可以使用linux提供的通用的i2C控制器驱动，我们也可以自定义去编写。下面就详细的阐述从这两个方面去编写i2C子系统驱动。

二、基于I2C-dev通用驱动框架编写应用程序

i2C通用驱动会为SOC芯片上的每一个i2C控制器生成一个设备号为89的设备节点，用户空间可以通过i2c设备节点，访问i2c控制器。每个i2c控制器的编号从0开始，对应i2c设备文件的次设备号[6]。使用通用的i2C控制器驱动，首先就要配置linux内核，linux3.14版本通用的驱动在文件i2c-dev.c，我们要将该文件编译进内核。i2c-dev.c实现的从设备驱动中，并不包括实际的从设备操作方法。它只是在提供给应用层一个设备文件，通过这个设备文件就可以找到特定的i2c控制器设备，。而i2c-dev.c的通用从设备驱动操作i2c从设备分为下面三个步骤：

1.首先确定从设备是由哪一个i2c控制器控制。

2.通过i2c控制器的设备文件，找到i2c控制器。

3.我么将i2c从设备的信息，发送给i2c控制器，然后i2c控制器收到从设备的信息后，解析从设备的信息，从而发出i2c总线时序，这样就可以和i2c从设备通信。

而在应用层对应硬件信息的描述，linux定义了一个特定的结构体i2c_msg，用于描述i2c从设备的硬件信息，然后调用ioctrl函数将找个结构体传递到i2c控制器，控制器会进行解析，然后做出相应的应答。

从上面的分析可知，linux提供的通用I2C控制器驱动，为了达到通用的效果，linux内核提供的i2C控制器驱动就没有具体的硬件信息，仅仅是封装了一些函数通用的函数，如open，read，write，ioctl。应用层的工程师需要在应用层填写从设备的硬件信息，然后通过函数去调用底层驱动接口。虽然这样做很便捷，但是给应用层的工程师带来了开发的难度，他们不仅要了解应用层的开发知识，还需要知道硬件的知识，去了解电路图和芯片手册。

三、自定义从设备驱动编写

自定义从设备驱动，就是将从设备的驱动封装在底层，然后提供一些应用工程师熟悉的函数接口，应用层不需要管是什么从设备，不用关心i2C总线上接的什么传感器，他们只需要调用相应的函数就可以了，这样就给应用层的开发带来了便利。

i2c从设备驱动是基于i2c总线而编写的，对于总线编写驱动的原理，我们使用“总线”“设备”“驱动”的框架去阐述[7]。arm芯片为了提高驱动的移植性，提出了AMBA总线的标准，工程师根据这个标准去编写驱动，而不是根据自己去定义，这些总线都是标准的，所有的SOC芯片都是一样的。外围设备按照速度的不同挂载在SOC内部的不同速度总线上。如表1所示列出了部分总线：

表1 总线分类表

同样为了提高移植性，驱动和设备分离，驱动中不包含硬件信息，而在设备描述硬件信息。总线会维护两条链表，分别管理设备和驱动，当一个设备被注册到总线上的时候，总线会根据其名字搜索对应的驱动，如果找到就将设备信息导入驱动程序并执行驱动；当一个驱动被注册到平台总线的时候，总线也会搜索设备。总之，平台总线负责将设备信息和驱动代码匹配，这样就可以做到驱动和设备信息的分离[8]。注册设备的流程图和注册驱动的流程图如下图所示：

图3 注册设备的流程图

注册设备的时候，一旦注册进内核，内核就会根据设备的名字去找同名的驱动，如本文设定的设备名字为led，那么内核就会去驱动链表中找led名字的驱动，发现目标匹配成功后就会调用驱动的probe函数。这个函数的作用就是获取匹配后的硬件资源并注册字符设备。同样，在注册驱动的时候，内核也会根据这个驱动的名字led去设备链表上同名的设备。同样在匹配成功后调用probe函数。

图4 注册驱动的流程图

驱动和设备文件是通过文件进行匹配，也就是如果要想设备和驱动最终能够互相匹配，就必须将设备的名字和驱动的名字设置为一样的。若驱动提供了id_table，则那设备名和id_table进行比较。若驱动没有提供id_table，则直接使用驱动名和设备名进行匹配。

四、总结

本文基于linux3.14内核，分析了i2c子系统的原理和实现框架，最后将驱动移植到硬件平台上，并且编写测试程序，成功读取了MUP6050里关于加速度的相关参数。

[1]宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[2]胡祖宝,董国通.基于S3C2440的嵌入式Linux内核移植及字符设备驱动开发[J].工业控制计算机,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驱动开发研究[D].南昌：江西理工大学，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]王岩,王子牛.嵌入式Linux设备驱动程序开发[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2008，37（1）.

[8]汪海兵.嵌入式Linxu的研究与应用[D].昆明：昆明理工大学，2002.