基于Linux操作系统的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）。