Linux操作系统下的ARM/DSP多机I2C通信设计方案

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Flash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。

图1 I2C总线起始和停止时序
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。

图2 S3C2440和TMS320F28015的硬件接口
电路S3C2440的PA55和PA56引脚分别对应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3.3 V的VCC电源上。
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着优势，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。

图3 I2C总线写数据帧格式
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。

图4 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：
① I2C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。
② I2C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。
③ I2C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。

图5 总体驱动框架
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_algorithm中的关键函数master_xfer（）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：
struct i2c_msg{
_ _u16 addr;/*设备地址*/
_ _u16 flags;/*标志*/
_ _u16 len;/*消息长度*/
_ _u8 *buf;/*消息数据*/
};
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_client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.

图6 设备驱动模块加载流程
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
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：
static int _ _init i2c_adap_s3c_init（）{
int ret;
ret=platform_driver_regisiter（&s3c2440_i2c_driver）；//注册platform_driver结构体
if（ret==0）{//注册失败
ret=platform_driver_regisiter（&s3c2440_i2c_driver）；
if（ret）
platform_driver_unregisiter （&s3c2440_i2c_driver）；
}
return ret;
}
static struct platform_driver s3c2440_i2c_driver={
.probe=s3c24xx_i2c_probe，
.remove=s3c24xx_i2c_remove，
.resume=s3c24xx_i2c_resume，
.driver={
.owner=THIS MODULE，
.name=“s3c2440?i2c”，
}，
} ;
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

图7 I2C总线中断服务程序流程
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。
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：
interrupt void i2c_int1a_isr（void） {//I2CA的中断响应函数
Uint16 IntSource;// 读取中断码
IntSource=I2caRegs.I2CISRC.bit.INTCODE & 0x7;//I2CA中断源，读后3位
switch（IntSource）{//依中断源而确定相关接收和发送策略
case I2C_NO_ISRC://=0
case I2C_ARB_ISRC://=1
case I2C_NACK_ISRC： //=2
case I2C_ARDY_ISRC： //=3
case I2C_SCD_ISRC://=6
case I2C_AAS_ISRC://=7
break;
case I2C_RX_ISRC://=4，接收数据已准备好
DataReceive（）；//调用数据接收子函数接收数据
break;
case I2C_TX_ISRC://=5，发送数据已准备好
DataTransmit（）；//调用数据发送子函数接收数据
break;
default：
asm（“ESTOP0”）； //无效数据，则停止
}
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;
}
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。

图8 数据接收和发送子程序
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微控制器结合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。

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