1 引言
I2C (Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線主要的優點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。I2C總線初為音頻和視頻設備開發，現已應用于各種服務與管理場合，來實現配置或掌握組件的功能狀態，如電源、系統風扇、系統溫度等參數，增加了系統的安全性，方便了管理。
2 I2C總線概述
I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據，每個器件都有一個惟一的地址識別。I2C 規程運用主/從雙向通訊。器件發送數據到總線上，則定義為發送器，器件接收數據則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發送狀態。總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。
I2C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。
開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。
結束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。
應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發出一個信號后，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。
3 Linux的I2C驅動架
Linux中I2C總線的驅動分為兩個部分，總線驅動（BUS）和設備驅動（DEVICE）。其中總線驅動的職責，是為系統中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。但是總線驅動本身并不會進行任何的通訊，它只是存在那里，等待設備驅動調用其函數，參見圖1。
設備驅動則是與掛在I2C總線上的具體的設備通訊的驅動。通過I2C總線驅動提供的函數，設備驅動可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實現細節地與硬件設備通訊。
圖1 Linux內核I2C總線驅動程序構架
在我們的Linux驅動的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個文件。其中i2c-core.c文件實現了I2C core框架，是Linux內核用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態的List，分別記錄系統中的I2C driver結構和I2C adapter結構。I2C core提供接口函數，允許一個I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時在I2C core中進行注冊，以及退出時進行注銷。同時還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口，主要應用在I2C設備驅動中。
Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實現了PowerPC下I2C總線適配器驅動，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構，實現比較底層的對I2C總線訪問的具體方法。I2C adapter 構造一個對I2C core層接口的數據結構，并通過接口函數向I2C core注冊一個控制器。I2C adapter主要實現對I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數就是I2C adapter底層對I2C總線讀寫方法的實現。同時I2C adpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。
i2c-dev.c文件中實現了I2C driver，提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，實現了字符類型設備的訪問接口，實現了對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現open，release，read，write以及重要的ioctl等標準文件操作的接口函數。我們可以通過open函數打開 I2C的設備文件，通過ioctl函數設定要訪問從設備的地址，然后就可以通過 read和write函數完成對I2C設備的讀寫操作。
通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的設備，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基于一般設備的實現，所有的操作數據都是基于字節流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C設備，我們可以為一個具體的I2C設備開發特定的I2C設備驅動程序，在驅動中完成對特定的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。
4 Linux下I2C具體驅動開發
TMP75是TI公司推出的基于I2C總線的數字溫度傳感器，具有低的功耗，高數字分辨率，廣泛應用于電源溫度監控，計算機外設保護，筆記本和蜂窩電話中。針對該設備開發驅動程序，由于linux系統下已經實現了I2C core框架，I2C總線適配器驅動，同時通過i2c-dev.c文件提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，因此我們的驅動程序的開發主要集中在TMP75設備驅動程序這一層，用來實現針對TMP75設備的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。
根據TMP75的具體寄存器地址和功能定義：
#define TMP75_REG_TEMP 0x00 //溫度寄存器地址
#define TMP75_REG_CONF 0x01 //配置寄存器地址
#define TMP75_REG_TEMP_LOW 0x02 //低溫閾值寄存器地址
#define TMP75_REG_TEMP_HIGH 0x03 //高溫閾值寄存器地址
定義一個TMP75_data結構體和一系列函數實現總線初始化時的設備檢測加載、設備刪除時的數據操作。
struct TMP75_data {
struct i2c_client client；
struct semaphore update_lock；
char valid； /* !=0 if following fields are valid */
unsigned long last_updated； /* In jiffies */
u16 temp_input； /* Register values */
u16 temp_max；
u16 temp_hyst；
}；
static int TMP 75_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)；
static int TMP 75_detect(struct i2c_adapter *adapter，int address，int kind)；
static void TMP 75_init_client(struct i2c_client *client)；
static int TMP 75_detach_client(struct i2c_client *client)；
static int TMP 75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)；
static int TMP 75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)；
static struct TMP 75_data *tmp75_update_device(struct device *dev)；
其中針對TMP75設備寄存器的特定格式定義TMP75寄存器讀寫的兩個函數如下：
static int TMP75_write_value(struct i2c_client *client，u8 reg，u16 value)
{
if (reg == TMP75_REG_CONF)
return i2c_smbus_write_byte_data(client，reg，value)；
else
return i2c_smbus_write_word_data(client，reg，swab16(value))；
}
static int TMP75_read_value(struct i2c_client *client，u8 reg)
{
if (reg == TMP 75_REG_CONF)
return i2c_smbus_read_byte_data(client，reg)；
else
return swab16(i2c_smbus_read_word_data(client，reg))；
}
具體的設備驅動程序完成之后將TMP75設備驅動的配置選項添加到chips文件夾下的kconfig文件中，這樣在配置內核選項時就可以把TMP75設備驅動添加到內核中。
5 Linux下I2C應用程序開發
Linux中應用程序要使用本驅動來訪問外部I2C器件，首先要通過open()來打開其驅動，使用完畢后使用close()將其關閉。
int fd；
fd = open("/dev/i2c/0"，O_RDWR)；
……
close(fd)；
I2C總線控制器驅動提供的API函數提供了ioctl()函數用于設定I2C總線控制器的一些參數，本應用程序調用ioctl函數將I2C總線設置為7位地址模式，同時設置I2C從機地址。
ioctl(fd，I2C_TENBIT，0)
ioctl(fd，I2C_SLAVE，SLAVE_ADDR)
對TMP75的初始化工作通過調用write()函數實現，通過調用該函數實現對配置寄存器、高溫閾值和低溫閾值寄存器的初始化配置。
//配置寄存器的初始化
senbuf[0]=0x01；
senbuf[1]=I2C_CONF_INITDATA；
write(fd，sendbuf，2)；
對TMP75當前工作溫度的讀取通過調用write()函數先寫入溫度寄存器的地址，然后調用read()函數讀取寄存器2字節的溫度數據實現。
write(fd，0x0，1)；
read(fd，recbuf，2)；
6 總結
I2C總線結構簡單使用方便。linux系統下I2C的驅動程序具有清晰的層次結構，借助于成熟的驅動的例子用戶很容易開發出針對自己產品的相應驅動。本文分析了Linux系統下I2C驅動結構，并在此基礎上實現了一個具體的I2C設備的驅動，并在此基礎上給出了對I2C總線實現訪問的用戶應用實現。
參考文獻
[1]Philips Corporation，I2C bus specification version 2.1，2000
[2]Aless and Robin著，魏永明等譯．《LINUX設備驅動程序（第二版）》．北京：中國電力出版社，2004年
[3]Texas Instruments，inc . USA . TMP75 Datasheet，2004
[4]鄭旭陽，李兵兵，黃新平．模擬I2C總線多主通信研究與軟件設計．單片機與嵌入式系統應用，2005