基于嵌入式Linux的ARM／DSP多机I2C通信

摘要：在高性能嵌入式控制系统中，运行嵌入式Linux操作系统的主机ARM和DSP实现主从控制的设计方案具有显著优势，并获得广泛运用。而实现ARM与DSP之间的可靠通信是其关键技术之一。本文以Samsung公司的ARM9芯片S3C2440和TI公司的DSP芯片TMS320F28015为例，分析了I2C通信接口的原理及特点，提出了基于I2C总线的多机通信接口设计方法。测试结果验证了该系统的可行性及可靠性，对嵌入式系统设计具有一定的借鉴价值。
关键词：ARM9；DSP；I2C通信；Linux

引言
    在很多嵌入式控制系统中，系统既要完成大量的信息采集和复杂的算法，又要实现精确的控制功能。采用运行有嵌入式Linux操作系统的ARM9微控制器完成信号采集及实现上层控制算法，并向DSP芯片发送上层算法得到控制参数，DSP芯片根据获得的参数和下层控制算法实现精确、可靠的闭环控制。

1 多机系统组成
    该多机控制系统以ARM9微控制器S3C2440为核心，采用I2C总线挂载多个DSP芯片TMS320F28015作为协控制器，构成整个控制系统的核心。
1．1 S3C2440及TMS320F28015简介
    Samsung公司的处理器S3C2440是内部集成了ARM公司ARM920T处理器内核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 KB的指令Cache和16 KB数据Cache，最高主频可达400 MHz。它拥有130个通用I／O、24个外部中断源以及丰富的外部接口能实现各种功能，包括支持多主功能的I2C总线接口、3路URAT、2路SPI、摄像头接口等。
    TMS320F28015(以下简称F28015)是TI公司的32位处理器，它具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。片上整合了Fl ash存储器、I2C总线模块、快速的A／D转换器、增强的CAN总线模块、事件管理器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等外设，此种整合能够方便地实现功能的扩展。同时，快速的中断响应使它能够保护关键的寄存器并快速(更小的中断延时)地响应外部异步事件。
1．2 I2C总线接口
    I2C总线是一种用于IC器件之间连接的串行总线，采用SDA(数据线)和SCL(时钟线)两线连接每个带有I2C总线接口的器件或模块。串行的8位双向数据传输率在标准模式下可达100 kb／s，快速模式下可达400 kb／s。多个微控制器可以通过I2C总线接口非常方便地连接在一起构成系统，并根据地址识别每个器件。这种总线结构的连线和连接引脚少，器件间总线简单，结构紧凑。因此其构成系统的成本较低，并且在总线上增加器件不会影响系统的正常工作，所有的I2C总线器件共用一套总线，因此其系统修改和可扩展性好。
    总线必须由主机(通常为微控制器)控制，主机产生串行时钟(SCL)控制总线的数据传输，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。I2C总线起始和停止时序如图1所示。

1．3 硬件电路
    S3C2440和F28015自身均集成了I2C总线模块，支持多主设备I2C总线串行接口，可以方便地挂接到I2C总线上。因此，两者之间的I2C总线接口电路的设计变得十分简单，只要将两者的对应引脚I2C_CLK(对应I2C总线中的SCL线)和I2C SDA(对应I2C总线中的DATA线)连接起来即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口电路如图2所示。

    S3C2440的PA55和PA56引脚分别埘应I2C_SDA和I2C_CLK，而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分别复用为I2C_SDA和I2C_CLK。考虑到阻抗不匹配等因素会影响总线数据传输效果，因此在将两块芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引脚直连时，在直连线路上各串联一个小电阻。
    I2C_SDA和I2C_CLK是双向电路，必须都通过一个电流源或上拉电阻连接到正电源电压上。由于S3C2440和F28015的输出高电平均为3．3 V，所以在硬件设计时将I2C_SDA和I2C_CLK总线通过上拉电阻连接到了3．3V的VCC电源上。[!--empirenews.page--]

2 ARM和DSP通信软件设计
    运行Linux操作系统的ARM微控制器作为主控制器，在数据管理及多任务调度等方面有显著优势，可以很好地组织外围器件采集的数据；主要实现对系统的整体控制，并通过总线设备驱动程序控制I2C总线模块，通过主机寻址实现向I2C总线上挂载的下层DSP的数据收发。为保证数据通信的实时性，F28015通过中断响应的方式实现数据接收和发送。
2．1 ARM9平台的嵌入式Linux的I2C总线驱动设计
2．1．1 I2C总线读写时序
    ARM9微控制器作为主机向从机DSP写数据，首先向从机发送启动信号，然后发送7位从机地址和1位写标志位，再等待从机的应答信号。在收到应答信号后，主机发送数据给从机，再次等待应答信号。当主机收到应答信号之后再次发送数据。之后，主机等待从机的应答信号，如此直到数据发送完成，主机发送停止信号。I2C总线写数据帧格式如图3所示。

    主模式下读数据，是指每次从指定的位置读取一个或多个字节数据。主机首先向从机发送启动信号，然后发送7位从机地址和1位读标志位，等待从机应答。当收到从机的应答信号后，主机准备接收从机发送的数据，接收完成后发送一个应答信号，如此直到数据接收完成，主机发送一个停止信号。图4为I2C总线读数据帧格式。

2．1．2 Linux下I2C总线驱动程序概述
    Linux系统的I2C总线驱动采用体系化结构设计，包括I2C总线适配器驱动和I2C总线设备驱动。总线驱动实现对I2C总线适配器(S3C2440的I2C总线模块)的控制，设备驱动实现对具体设备(F28015的I2C总线模块)的读写控制。图5为总体驱动框架，可以分为三个层次：

    ①I2C框架。内核中i2c．h和i2c-core．c为I2C总线框架的主体，提供了核心数据结构的定义、I2C总线适配器驱动和设备驱动的注册、注销管理、I2C总线通信方法上层的、与具体适配器无关的代码、检测设备地址的上层代码等。i2c-dev．c用于创建I2C总线适配器的设备节点，提供I2C总线设备访问方法等。
    ②I2C总线适配器驱动。定义描述具体I2C总线适配器的数据结构，实现在具体I2C总线适配器上的I2C总线通信方法。
    ③I2C总线设备驱动。定义描述具体设备的数据结构，借助I2C总线框架的相关函数实现设备的注册，并为用户提供上层应用程序编程接口。
    Linux的I2C总线驱动框架中的主要数据结构包括：i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter和i2c_algorithm，它们被定义在内核中的i2c．h头文件中。i2c_adapter对应于物理上的一个适配器，而i2c_algorithm对应一套通信方法，用来为适配器提供通信函数。i2c_algori thm中的关键函数master_xfei()用于产生I2C总线访问周期需要的信号，以i2c_msg(即I2C总线消息)为单位。该结构体原型如下：
   
    i2c_driver对应一套驱动方法，是用于辅助作用的数据结构。i2c_client对应于真实的物理设备，每个I2C总线设备都需要一个i2c_clie nt来描述。i2c_adapter和i2c_client的关系与I2C总线硬件体系中适配器和设备关系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter。[!--empirenews.page--]
    在Linux内核源代码中drivers目录下的i2c_dev．c文件，是通用的I2C总线设备驱动文件，为应用程序提供open()、write()、read()、ioctl()和close()等操作接口来访问设备。应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的I2C总线设备的存储空间或寄存器，并控制I2C总线设备的工作方式。
2．1．3 S3C2440的I2C总线驱动及设备驱动
    S3C2440内部的I2C总线控制器通过4个寄存器实现对通信的控制，分别是I2C控制寄存器(I2CCON)、I2C状态寄存器(I2CSTAT)、I2C收发数据移位寄存器(I2CDS)、I2C地址寄存器(I2CADD)。
    按照Linux中I2C总线框架要求，S3C2440的I2C总线驱动设计主要完成以下工作：设计i2c_adapter_s3c_init()模板加载函数和对应于i2c_adapter_s3c_exit()模板卸载函数；设计i2c_adapter_s3c_xfer()模板S3C2440适配器通信方法函数。
    i2c_adapter_s3c_init()通过注册s3c2440_i2c_driver结构体实现总线驱动的平台注册，s3c2440_i2c_driver结构体包含了具体适配器的probe()函数、remove()函数、resume()函数指针等信息。代码如下：
   
    完成了S3C2440的I2C总线适配器驱动注册后，就可以将具体设备驱动注册到该总线平台上，实现I2C总线数据通信。i2c_dev．c文件是内核源码提供的通用I2C总线设备驱动文件，针对每个I2C总线适配器生成一个主设备号为89的设备文件，设备驱动模块加载流程如图6所示。完成加载后，驱动提供i2cdev_read()、i2cdev_write()、i2cdev_ioctl()函数来对应用户空间的read()、write()、ioctl()函数，供用户使用。用户通过这些接口函数实现I2C总线数据的读写功能。

2．2 DSP数据接收中断程序设计
    通过配置F28015的I2C模块寄存器，设置I2C模块为从工作方式，同时利用I2C总线中断响应程序实现对总线上数据的接收和发送，进而完成数据通信。F28015产生了I2C总线中断后，就执行中断服务程序，图7为I2C总线中断服务程序流程。

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    中断服务程序通过查询状态寄存器(I2CSTR)标志位，得出中断类型码，然后调用相应的子程序，完成数据接收发送。代码如下：
   
    F28015中的数据接收子程序和数据发送子程序是在I2C总线的中断服务程序中根据不同的状态码进行调用，它们是整个通信程序的核心部分。数据接收子程序和数据发送子程序的流程如图8所示。

3 测试结果
    通过NFS文件系统将编译成模块的I2C的总线驱动和设备驱动加载到运行Linux操作系统的S3C2440平台上(先加载总线驱动)，再将F28015的测试程序烧写到RAM中。运行F28015等待I2C总线上的数据，再执行Linux系统中的I2C总线测试程序。测试结果显示，芯片通过I2C总线接口完成了数据通信，具有良好的实时性和可靠性。

4 结论
    该设计利用I2C总线实现了ARM9微控制器与DSP芯片间实时可靠的数据通信。ARM9微榨制器结合Linux操作系统作为上层控制核心，DSP芯片实现下层控制算法，可充分发挥ARM9微控制器在数据采集和任务管理等方面的优势以及DSP芯片在算法实现和底层控制的长处。