基于Linux系統(tǒng)的多種串行總線統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)

引言

在Linux內(nèi)核中單獨(dú)實(shí)現(xiàn)TTY、I2C、SPI、ISA、USB等多種總線驅(qū)動(dòng)時(shí)，每一種總線的實(shí)現(xiàn)都有各自的特點(diǎn)，如參數(shù)設(shè)置不同，實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)不同等。以TTY、I2C為例，TTY采用的是基于線路規(guī)程的三層結(jié)構(gòu)，而i2c則是基于用戶句柄和適配器的三層結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這些驅(qū)動(dòng)都是功能齊全而強(qiáng)大的,但對(duì)于并不復(fù)雜的應(yīng)用而言，這樣的控制是比較繁瑣的，而且,對(duì)于移植也是不利的。例如，某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)原先使用一款I(lǐng)2C接口的時(shí)鐘芯片，但后來(lái)系統(tǒng)升級(jí)換成了一款SPI接口的時(shí)鐘芯片，這時(shí)就不得不對(duì)程序做較大的改動(dòng)了。本文給出了一種多種串行總線統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)方法，并以ARM9為平臺(tái)，以I2C、1-Wire,SPI為例驗(yàn)證了方法的可行性。

1總線協(xié)議及其工作過(guò)程

多數(shù)的串行總線都基于主從結(jié)構(gòu)，如果總線中包含了時(shí)鐘信號(hào)線，那么，該時(shí)鐘信號(hào)就由主機(jī)提供，而如果還包含了片選信號(hào)，通常也由主機(jī)來(lái)控制。也就是說(shuō)，主機(jī)發(fā)起通信,從機(jī)處于被動(dòng)狀態(tài)，所以，對(duì)于總線時(shí)序的分析，只需討論主控制器端的時(shí)序，而從設(shè)備的時(shí)序就是它的逆向過(guò)程。

1.1 SPI協(xié)議及其工作過(guò)程

SPI總線是摩托羅拉公司提出的一種串行總線協(xié)議，該總線由4根基本的信號(hào)線組成，分別是CS、SI、SO、SCK。其中SCK是串行總線時(shí)鐘，由主設(shè)備提供；而SI、SO分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。在一主多從的系統(tǒng)中，片選信號(hào)決定當(dāng)前有效的從設(shè)備。

SPI總線的工作過(guò)程是：首先，主機(jī)發(fā)起通信，通過(guò)片選信號(hào)激活從設(shè)備；然后，主機(jī)在串行時(shí)鐘SCK信號(hào)的同步下，將地址、命令、數(shù)據(jù)信息從串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)（相對(duì)主機(jī)而言）SI送出；而從設(shè)備則在SCK信號(hào)的同步下接收主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)反應(yīng),最后將結(jié)果從數(shù)據(jù)輸入信號(hào)（相對(duì)主機(jī)而言）SO送出。

S3C2440中對(duì)SPI總線的控制，就是集中于對(duì)rSPCONn、rSPSTAn、rSPPINn、rSPPREn、rSPTDATn和rSPRDATn的控制。其中rSPCONn用于DMA設(shè)置、工作模式選擇、時(shí)鐘相位選擇，rSPSTAn用于控制器狀態(tài)查詢，rSPPINn用于多主機(jī)下出錯(cuò)檢測(cè)和片選釋放，rSPPREn用于控制預(yù)分頻狀態(tài)寄存器，rSPTDATn是數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器，rSPRDATn是數(shù)據(jù)接收寄存器。

1.2 I²C協(xié)議及其工作過(guò)程

I²C總線是由飛利浦公司提出的一種接口標(biāo)準(zhǔn)，該總線由SDA、SCL兩根信號(hào)線組成。其中SCL為時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)提供，最大傳輸速率為400kb/s；而SDA為數(shù)據(jù)信號(hào)。連接到總線上的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，通過(guò)這個(gè)地址使得主機(jī)能夠找到目標(biāo)從機(jī)并與之進(jìn)行通信。

以主機(jī)發(fā)送為例，i2c總線的工作過(guò)程是：首先，主機(jī)控制時(shí)鐘信號(hào)SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)SDA產(chǎn)生一個(gè)下降沿,作為起始條件。然后，主機(jī)發(fā)出7位的從設(shè)備地址和1位R/W標(biāo)志，并激活將要與之通信的從設(shè)備，而從設(shè)備則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。對(duì)于寫(xiě)數(shù)據(jù)，主機(jī)緊接著就將一個(gè)字符或一串?dāng)?shù)據(jù)寫(xiě)入到從設(shè)備；而對(duì)于讀數(shù)據(jù)，則緊接著讀取從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)。

I2C總線中的S3C2440對(duì)I2C的控制主要集中于對(duì)rIICCON、rllCSTAT、rIICADD和rIICDS的控制。其中rIICCON用于時(shí)鐘源選擇、中斷控制和I2C控制器使能，rIICSTAT用于工作模式選擇、控制器狀態(tài)查詢，rIICADD是從設(shè)備地址(當(dāng)S3C2440設(shè)置為從設(shè)備模式時(shí)使用)，rIICDS是發(fā)送接收移位寄存器。

1.3 1-Wire協(xié)議及其工作過(guò)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(qū)別：普通的串行總線通常由兩根或兩根以上的信號(hào)線組成；而1-Wire總線僅有一根信號(hào)線，同時(shí)用于時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、命令的傳輸，具有資源利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于總線擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

1-Wire總線工作過(guò)程：1-Wire總線包含復(fù)位、讀、寫(xiě)三種基本時(shí)序。在復(fù)位狀態(tài)下，主機(jī)將總線拉低480~960卜后釋放總線，由于上拉電阻的作用，此時(shí)的電平為高，等待15~60卜之后，從設(shè)備將總線拉低表示復(fù)位成功。寫(xiě)操作時(shí),若寫(xiě)入數(shù)據(jù)位為0,則主機(jī)將總線拉低60卜后釋放；若寫(xiě)入數(shù)據(jù)位為1，則主機(jī)將總線拉低1~153后釋放。由于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(shí)，對(duì)于時(shí)序的控制就要求得比較精確。

2Linux下的統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)

這些總線有一些共性，也就是驅(qū)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，主要包括單字節(jié)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)流收發(fā)以及工作模式控制等。在這些共性的基礎(chǔ)上，一般都需要向上層提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，以使得對(duì)使用這些API的應(yīng)用程序而言(下層總線無(wú)論是RS-232,SPI、I2C,還是1-Wire)都不需要做任何改變。同時(shí)，還要對(duì)下層也提供一個(gè)通用接口，使得不同的總線都能與上層統(tǒng)一接口協(xié)調(diào)通信。該驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

本文主要討論的是總線驅(qū)動(dòng)部分，而應(yīng)用層和物理層在測(cè)試的時(shí)候，也可用兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.1注冊(cè)一個(gè)新設(shè)備號(hào)

首先可為統(tǒng)一接口的總線定義一個(gè)新的設(shè)備號(hào)240,而且以后注冊(cè)的總線子設(shè)備都以此為主設(shè)備號(hào)。假如現(xiàn)在注冊(cè)了一個(gè)1-Wire和一個(gè)I2C總線接口，那么，它們兩者的主設(shè)備號(hào)都為240,而次設(shè)備號(hào)不同。如果1-Wire的次設(shè)備號(hào)為0,而I2C的次設(shè)備號(hào)為1,那么就可將兩條總線區(qū)分開(kāi)來(lái)了。此時(shí)的程序如程序片段一所示。

程序片段一：

#defineBUSES_MAJOR240

staticint__initbuses_drv_init(void){

intret;

ret=register_chrdev(BUSES_MAJOR,"buses",&buses_ops);

pBuses_dev_class=class_create(THIS_MODULE,

"buses_class");

return0;

}

module_init(buses_drv_init);

2.2設(shè)備接口層

為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口，有必要定義一個(gè)統(tǒng)一的字符設(shè)備接口buses_ops［6,7］,應(yīng)用程序訪問(wèn)總線都通過(guò)這個(gè)接口，這樣,所討論的統(tǒng)一接口問(wèn)題也就實(shí)現(xiàn)了。該接口的主要函數(shù)成員如程序片段二所示。

程序片段二:

structfile_operationsbuses_ops={.owner=THIS_MODULE,.release=buses_close,.open=buses_open,.ioctl=buses_ioctl,

.read=buses_read,

.write=buses_write,

};

應(yīng)用程序打開(kāi)設(shè)備的時(shí)候，利用子設(shè)備號(hào)可以找到總線對(duì)應(yīng)的底層適配器，也就是說(shuō)，子設(shè)備號(hào)兼具了適配器索引的功能，其具體實(shí)現(xiàn)如程序片段三所示。

程序片段三：

staticintbuses_open(structinode*inode,structfile*filp){structlist_head*pos;

structbuses_dev*dev;

unsignedintminor二iminor(inode);

list_for_each(pos,&buses_list_head){//buses_list_head用來(lái)掛載buses_dev的鏈表

dev=list_entry(pos,structbuses_dev,list);

if(dev->adapter->nr==minor){filp->private_data=dev;

}

}

return0;

}

事實(shí)上，buses_dev是設(shè)備層和適配器層的橋梁，在open操作里被賦值給文件指針的私有數(shù)據(jù)域。那么，在讀與寫(xiě)函數(shù)中，就可以反其道而行，通過(guò)文件指針的私有數(shù)據(jù)域就可獲得buses_dev數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。

2.3適配器接口層

適配器負(fù)責(zé)對(duì)底層數(shù)據(jù)的操作，由于不同的總線之間存在共性，所以，一般來(lái)說(shuō)，它們都包含了單字節(jié)讀、單字節(jié)寫(xiě)、多字節(jié)讀、多字節(jié)寫(xiě)以及一些特殊控制。綜上所述，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如程序片段四所示。

程序片段四：

structbuses_adapter{

intnr;

unsignedintflags;

structdevice*dev;

/*單字節(jié)寫(xiě)操作*/

int(*single_write)(unsignedlongaddr,constunsignedchar*dat);

/*單字節(jié)讀操作*/

int(*single_read)(unsignedlongaddr,unsignedchar*dat);

/*多字節(jié)寫(xiě)操作*/

int(*muti_write)(unsignedlongaddr,constunsigned

可靠傳輸ReliableTransmission，価厠I曜

.町4JIVTUKTOf1HIMInCHMMCI

char*buff,intdatLen);

/*多字節(jié)讀操作*/

int(*muti_read)(unsignedlongaddr,unsignedchar*buff,intdatLen);

/*特殊控制*/

int(*adapter_ioctl)(unsignedintcmd,unsignedlongarg);

};

所謂適配器注冊(cè)，就是將適配器添加到全局鏈表buses_list_head中，只有這樣，才能在字符設(shè)備接口的open操作中通過(guò)子設(shè)備號(hào)索引找到適配器，具體如程序片段五所示。

程序片段五：

intbuses_dev_register(intminor){

adapter->nr=minor;dev->adapter二adapter;

adaptei->dev=device_create(pBuses_de^class,NULL,de\_t,NULL,device_name);

list_add(&dev->list,&buses_list_head);

return0;

}

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

這里分別以1-Wire、SPI、I2C總線為例來(lái)初始化三條總線適配器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)適配器的單字節(jié)寫(xiě)、單字節(jié)讀、特殊控制等三種基本操作。具體操作如下面的程序所示：

程序片段六：

#defineONEWIRE_DEV_MIONR0

#defineSPI_DEV_MIONR1

#defineI2C_DEV_MIONR2

structbuses_adapteri2c_adapter={//I2C適配器

};

structbuses_adapteroneWire_adapter={//1-Wire適配器

};

structbuses_adapterspi_adapter={//spi適配器

};

staticint__initi2c_drv_init(void){

if(buses_dev_register(I2C_DEV_MINOR)<0)//I2C

模塊加載

return-EFAULT;

if(buses_dev_register(ONEWIRE_DEV_MINOR)<0)//1-Wire模塊加載

return-EFAULT;

if(buses_dev_register(SPI_DEV_MINOR)<0)//SPI模塊加載

return-EFAULT;

return0;

}

完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載之后，就會(huì)在/dev目錄下生成如圖2所示的文件節(jié)點(diǎn)。通過(guò)打開(kāi)節(jié)點(diǎn)，就可以打開(kāi)總線的統(tǒng)一接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的讀、寫(xiě)和控制操作。

圖2/dev目錄下生成的文件節(jié)點(diǎn)

同時(shí)，還會(huì)在/sys目錄下生成關(guān)于注冊(cè)的總線屬性目錄和文件，主要包含有設(shè)備號(hào)的屬性文件、電源管理屬性目錄、到類目錄的鏈接、特殊事件屬性文件等，具體如圖3所示。

      這里分別對(duì)I2C接口的E2PROM芯片AT24C02、1-Wire接口的EEPROM芯片DS2433和SPI接口的EEPROM芯片25AA010進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4測(cè)試結(jié)果圖

其測(cè)試過(guò)程是：通過(guò)打開(kāi)/dev/bus-0、/dev/bus-1、/dev/bus-2節(jié)點(diǎn)，調(diào)用寫(xiě)操作寫(xiě)一段數(shù)據(jù)到EEPROM，然后，再調(diào)用讀操作讀出剛才寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證兩者是否一致，從而判斷本文的接口函數(shù)的正確性。

4結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，使用設(shè)備接口層與適配器接口層的這種分層方式，能夠讓?xiě)?yīng)用程序進(jìn)一步忽略底層的接口操作，實(shí)現(xiàn)接口的統(tǒng)一。而且，該方法具有適應(yīng)性強(qiáng)，易于系統(tǒng)升級(jí)，占用資源少等特點(diǎn)，能有效提高應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)效率。

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