基于Linux系统的多种串行总线统一接口的实现

摘要：基于Linux字符设备操作接口和各类串行总线的共性，按照分层的思想，抽象出各种总线的统一接口。统一接口的应用层API与底层的具体总线操作形式无关，而且便于应用系统的升级和移植。文中给出了一种多种串行总线统一接口的实现方法，并以ARM9为平台，以I2C、1-Wire、SPI为例，验证了新方法的可行性。
关键词：统一接口；嵌入式系统：Linux；设备驱动；串行总线

0 引言
    在Linux内核中单独实现TTY、I2C、SPI、ISA、USB等多种总线驱动时，每一种总线的实现都有各自的特点，如参数设置不同，实现的结构不同等。以TTY、I2C为例，TTY采用的是基于线路规程的三层结构，而I2C则是基于用户句柄和适配器的三层结构。当然，这些驱动都是功能齐全而强大的，但对于并不复杂的应用而言，这样的控制是比较繁琐的，而且，对于移植也是不利的。例如，某个应用系统原先使用一款I2C接口的时钟芯片，但后来系统升级换成了一款SPI接口的时钟芯片，这时就不得不对程序做较大的改动了。本文给出了一种多种串行总线统一接口的实现方法，并以ARM9为平台，以I2C、1-Wire、SPI为例验证了方法的可行性。

1 总线协议及其工作过程
    多数的串行总线都基于主从结构，如果总线中包含了时钟信号线，那么，该时钟信号就由主机提供，而如果还包含了片选信号，通常也由主机来控制。也就是说，主机发起通信，从机处于被动状态，所以，对于总线时序的分析，只需讨论主控制器端的时序，而从设备的时序就是它的逆向过程。
1．1 SPI协议及其工作过程
    SPI总线是摩托罗拉公司提出的一种串行总线协议，该总线由4根基本的信号线组成，分别是CS、SI、SO、SCK。其中SCK是串行总线时钟，由主设备提供；而SI、SO分别对应于数据输入和数据输出信号。在一主多从的系统中，片选信号决定当前有效的从设备。
    SPI总线的工作过程是：首先，主机发起通信，通过片选信号激活从设备；然后，主机在串行时钟SCK信号的同步下，将地址、命令、数据信息从串行数据输出信号(相对主机而言)SI送出；而从设备则在SCK信号的同步下接收主机发送来的数据，并作出相应反应，最后将结果从数据输入信号(相对主机而言)SO送出。
    S3C2440中对SPI总线的控制，就是集中于对rSPCONn、rSPSTAn、rSPPINn、rSPPREn、rSPTDATn和rSPRDATn的控制。其中rSPCONn用于DMA设置、工作模式选择、时钟相位选择，rSPSTAn用于控制器状态查询，rSPPINn用于多主机下出错检测和片选释放，rSPPREn用于控制预分频状态寄存器，rSPTDATn是数据发送寄存器，rSPRDATn是数据接收寄存器。
1．2 I2C协议及其工作过程
    I2C总线是由飞利浦公司提出的一种接口标准，该总线由SDA、SCL两根信号线组成。其中SCL为时钟信号，由主机提供，最大传输速率为400kb／s；而SDA为数据信号。连接到总线上的每一个设备都有一个唯一的地址，通过这个地址使得主机能够找到目标从机并与之进行通信。
    以主机发送为例，I2C总线的工作过程是：首先，主机控制时钟信号SCL为高电平时，数据信号SDA产生一个下降沿，作为起始条件。然后，主机发出7位的从设备地址和1位R／W标志，并激活将要与之通信的从设备，而从设备则会产生一个应答信号。对于写数据，主机紧接着就将一个字符或一串数据写入到从设备；而对于读数据，则紧接着读取从设备输出的数据。
    I2C总线中的S3C2440对I2C的控制主要集中于对rIICCON、rIICSTAT、rIICADD和rIICDS的控制。其中rIICCON用于时钟源选择、中断控制和I2C控制器使能，rIICSTAT用于工作模式选择、控制器状态查询，rIICADD是从设备地址(当S3C2440设置为从设备模式时使用)，rIICDS是发送接收移位寄存器。
1．3 1-Wire协议及其工作过程
    1-Wire总线是Maxim全资子公司Dallas提出的一种总线接口。1-Wire总线与其他的串行总线有比较大的区别：普通的串行总线通常由两根或两根以上的信号线组成；而1-Wire总线仅有一根信号线，同时用于时钟、数据、命令的传输，具有资源利用率高、结构简单、成本低廉、易于总线扩展等优点。
     1-Wire总线工作过程：1-Wire总线包含复位、读、写三种基本时序。在复位状态下，主机将总线拉低480～960 μs后释放总线，由于上拉电阻的作用，此时的电平为高，等待15～60 μs之后，从设备将总线拉低表示复位成功。写操作时，若写入数据位为0，则主机将总线拉低60μs后释放；若写入数据位为1，则主机将总线拉低1～15 μs后释放。由于很少有控制器集成了1-Wire总线控制器，所以，一般使用GPIO模拟的方式，这时，对于时序的控制就要求得比较精确。

2 Linux下的统一驱动
    这些总线有一些共性，也就是驱动要实现的内容，主要包括单字节数据收发、数据流收发以及工作模式控制等。在这些共性的基础上，一般都需要向上层提供一个统一的接口，以使得对使用这些API的应用程序而言(下层总线无论是RS-232、SPI、I2C，还是1-Wire)都不需要做任何改变。同时，还要对下层也提供一个通用接口，使得不同的总线都能与上层统一接口协调通信。该驱动的结构框架如图1所示。

    本文主要讨论的是总线驱动部分，而应用层和物理层在测试的时候，也可用两个简单的例子来验证设计结果。[!--empirenews.page--]
2．1 注册一个新设备号
    首先可为统一接口的总线定义一个新的设备号240，而且以后注册的总线子设备都以此为主设备号。假如现在注册了一个1-Wire和一个I2C总线接口，那么，它们两者的主设备号都为240，而次设备号不同。如果1-Wire的次设备号为0，而I2C的次设备号为1，那么就可将两条总线区分开来了。此时的程序如程序片段一所示。
    程序片段一：

2．2 设备接口层
    为了实现统一的接口，有必要定义一个统一的字符设备接口buses_ops，应用程序访问总线都通过这个接口，这样，所讨论的统一接口问题也就实现了。该接口的主要函数成员如程序片段二所示。
    程序片段二：
    
    
    应用程序打开设备的时候，利用子设备号可以找到总线对应的底层适配器，也就是说，子设备号兼具了适配器索引的功能，其具体实现如程序片段三所示。
    程序片段三：

    事实上，buses_dev是设备层和适配器层的桥梁，在open操作里被赋值给文件指针的私有数据域。那么，在读与写函数中，就可以反其道而行，通过文件指针的私有数据域就可获得buses_dev数据结构体。
2．3 适配器接口层
    适配器负责对底层数据的操作，由于不同的总线之间存在共性，所以，一般来说，它们都包含了单字节读、单字节写、多字节读、多字节写以及一些特殊控制。综上所述，该数据结构如程序片段四所示。
    程序片段四：
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    所谓适配器注册，就是将适配器添加到全局链表buses_list_head中，只有这样，才能在字符设备接口的open操作中通过子设备号索引找到适配器，具体如程序片段五所示。
    程序片段五：


3 实验测试
    这里分别以1-Wire、SPI、I2C总线为例来初始化三条总线适配器，同时实现适配器的单字节写、单字节读、特殊控制等三种基本操作。具体操作如下面的程序所示：
    程序片段六：
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    完成设备驱动加载之后，就会在／dev目录下生成如图2所示的文件节点。通过打开节点，就可以打开总线的统一接口，从而实现对总线的读、写和控制操作。

    同时，还会在／sys目录下生成关于注册的总线属性目录和文件，主要包含有设备号的属性文件、电源管理属性目录、到类目录的链接、特殊事件属性文件等，具体如图3所示。

    这里分别对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进行测试。其测试结果如图4所示。

    其测试过程是：通过打开／dev／bus-0、／dev／bus-1、／dev／bus-2节点，调用写操作写一段数据到EEPROM，然后，再调用读操作读出刚才写入的数据，并验证两者是否一致，从而判断本文的接口函数的正确性。

4 结语
    实践证明，使用设备接口层与适配器接口层的这种分层方式，能够让应用程序进一步忽略底层的接口操作，实现接口的统一。而且，该方法具有适应性强，易于系统升级，占用资源少等特点，能有效提高应用程序的开发效率。