RTC 实时时钟驱动 收藏RTC 实时时钟驱动 -------I2C软件模拟通信
内核版本: linux-2.4.21 文档设计: 侯辉华 版 本: 1.01 时 间: 2007/06/10
内容简介: 介绍接在I2C总线上RTC实时时钟设备的驱动, 使用软件模拟的方法完成I2C的通信; 介绍了Linux下的时钟系统, 以及I2C的层次结构.
目录索引:
一. Linux下的时钟系统简介. 二. Linux对时间的表示. 三. Linux时钟中断的初始化及处理. 四. RTC设备驱动程序. 五. I2C总线读写. 六. Linux下的I2C驱动层次结构..
实际上，linux系统有两个时钟：一个是由主板电池驱动的“Real Time Clock”也叫做RTC或者叫CMOS时钟，硬件时钟。当操作系统关机的时候，用这个来记录时间，但是对于运行的系统是不用这个时间的。另一个时间是 “System clock”也叫内核时钟或者软件时钟，是由软件根据时间中断来进行计数的，内核时钟在系统关机的情况下是不存在的，所以，当操作系统启动的时候，内核时钟是要读取RTC时间来进行时间同步.
二. Linux对时间的表示 通常，操作系统可以使用三种方法来表示系统的当前时间与日期：①最简单的一种方法就是直接用一个64位的计数器来对时钟滴答进行计数。②第二种方法就是用一个32位计数器来对秒进行计数，同时还用一个32位的辅助计数器对时钟滴答计数，之子累积到一秒为止。因为2的32次方超过136年，因此这种方法直至22世纪都可以让系统工作得很好。③第三种方法也是按时钟滴答进行计数，但是是相对于系统启动以来的滴答次数，而不是相对于相对于某个确定的外部时刻；当读外部后备时钟（如RTC）或用户输入实际时间时，根据当前的滴答次数计算系统当前时间。 Linux通常都采用第三种方法来维护系统的时间与日期, 通过时钟点滴进行计时的基础原理, 可以参看下面介绍的参考文档, 主要原理是通过硬件的中断累积来计时, 但必要要设置硬件中断一次所须的时间, 一般具体的不同的芯片都不同, EP9302系统具体设置如下: 1. EP93xx系列芯片有四个Timer计时器, 使用的是Timer1, 与具体芯片相关的内容在如下两个文件: linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.c, linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.h 2. 针对整个Arm体系的时钟相关文件为: linux-2.4.21\arch\arm\kernel\time.c 时钟中断计时的主要相关函数为如下两个: 1. ep93xx_gettimeoffset()的作用就是返回距最近一次时钟中断发生后, Timer已经累积的时间(但还未满足引发一次时钟中断), 这个时间值单位为微秒, 获取当前时间时, 就是累计已经发生的Timer中断次数所经历的时间, 然后加上这个即将要发生中断所过去的时间, 这样取得当前时间的精度是相当高的. 2. LATCH的含义是指一次时钟中断要经过多少个Timer时钟周期, TIMER1LOAD寄存器设置的就是这个值, ep93xx的计时器Timer1会将这个值一直递减直至0, 如此就引发一次时钟中断, 然后又重LATCH重头开始递减. 3. xtime记载的即为系统自开机以来的当前时间, 单位为秒, 精确度为微秒. 因此在开机时必须从RTC当中取得真实的时间来赋此初值, EP93xx系列直接初始此值为其自身所带RTC模块的时间值, RTCDR寄存器是EP93xx所自带的RTC模块的寄存器, 其值单位为秒,基准为相对1970年, 此处即为我们要改动的地方.将其值从i2c的RTC实时芯片中取回赋给它. static unsigned long ep93xx_gettimeoffset(void) { unsigned long hwticks; hwticks = LATCH - (inl(TIMER1VALUE) & 0xffff); return ((hwticks * tick) / LATCH); } void __init ep93xx_setup_timer(void) //初始化Timer，设定时钟中断周期… { gettimeoffset = ep93xx_gettimeoffset; outl(0, TIMER1CONTROL); outl(LATCH - 1, TIMER1LOAD); //设定Timer经多少个Timer时钟周期后产生中断… outl(0xc8, TIMER1CONTROL); xtime.tv_sec = inl(RTCDR); //从ep93xx内部RTC模块读取时间，后将重新从cmos读. } 以下详细介绍一下时钟点滴计时的几个基本参数, 以下定义的出处, 除非特别指出, 一般是位于各自不同的平台的文件夹下定义: linux-2.4.21\include\asm-arm\arch-ep93xx linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\
1. 时钟周期（clock cycle）的频率：计时器Timer晶体振荡器在1秒时间内产生的时钟脉冲个数就是时钟周期的频率, 要注意这个Timer的时钟周期频率要与时钟中断的频率区别开来, Linux用宏CLOCK_TICK_RATE来表示计时器的输入时钟脉冲的频率（此值在EP93xx上是508KHZ），该宏定义在timex.h头文件中： #define CLOCK_TICK_RATE 508000 /* Underlying HZ */ 2. 时钟中断（clock tick）：我们知道当计数器减到0值时，它就在IRQ0上产生一次时钟中断，也即一次时钟中断, 计数器的初始值决定了要过多少时钟周期才产生一次时钟中断，因此也就决定了一次时钟滴答的时间间隔长度. 在EP93xx系统中, Timer1的TIMER1LOAD 的值决定过多少时钟周期后产生一次时钟中断. 3. 时钟中断的频率（HZ）：也即1秒时间内Timer所产生的时钟中断次数。确定了时钟中断的频率值后也就可以确定Timer的计数器初值。Linux内核用宏HZ来表示时钟中断的频率，而且在不同的平台上HZ有不同的定义值。对于SPARC、MIPS、ARM和i386等平台HZ的值都是100。该宏在ARM平台上的定义如下（param.h）： #ifndef HZ #define HZ 100 #endif 据HZ值，可知每隔(1000ms／HZ)=10ms发生一次时钟中断.
4. 时钟中断的时间间隔： Linux用全局变量tick来表示时钟中断的时间间隔长度，其实定义了HZ之后, 即决定了此间隔值, tick变量的单位是微妙(μs), 该变量定义在kernel/timer.c文件中，如下： long tick = (1000000 + HZ/2) / HZ; /* timer interrupt period */. 5. 宏LATCH：Linux用宏LATCH来定义要设置到Timer中的值，它表示TImer将没隔多少个时钟周期产生一次时钟中断。显然LATCH应该由下列公式计算： LATCH=(1秒之内的Timer时钟周期个数)÷(1秒之内的时钟中断次数)=（CLOCK_TICK_RATE）÷（HZ）.
三. Linux时钟中断的初始化及处理
以下着重描述一下时钟中断时与RTC相关的修改:
文件:linux-2.4.21\arch\arm\kernel\time.c 描述:时钟初始化化, 在start_kernel()当中调用. void __init time_init(void) { xtime.tv_usec = 0; xtime.tv_sec = 0; setup_timer(); }
文件:linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.h 描述:安装时钟中断服务程序，从RTC更新初始化系统时钟, 在time_init()当中调用. /* * Set up timer interrupt, and return the current time in seconds. */ static inline void setup_timer(void) { ep93xx_setup_timer(); //houhh 20070713... ///////// xtime.tv_sec = get_cmos_time(); //从RTC设备中读取当前时间… set_rtc = set_cmos_time; //初始化更新系统时间到RTC的函数, 在do_set_rtc()中调用… ///////// timer_irq.handler = ep93xx_timer_interrupt; //时钟中断服务程序… setup_arm_irq(IRQ_TIMER1, &timer_irq); //安装时钟中断处理… }
文件:linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.h 描述:读写I2C的RTC设备，软件模拟方式, 引自i2c-ep93xx.c, 将在下面详细介绍. extern uchar pcf8563_readdata(uchar address); extern int pcf8563_writedata(uchar address, uchar mdata); #define CMOS_READ(addr) pcf8563_readdata(addr) #define CMOS_WRITE(data, addr) pcf8563_writedata(addr, data)
文件:linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.h 描述:设置及读写RTC, 主要通过宏CMOS_READ/ CMOS_WRITE完成功能. unsigned long get_cmos_time(void) static int set_cmos_time(unsigned long nowtime)
文件: linux-2.4.21\arch\arm\mach-ep93xx\time.h 描述:时钟中断服务程序，并检测更新系统时钟到RTC, 在setup_timer()当中调用. /* * IRQ handler for the timer */ static void ep93xx_timer_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { outl( 1, TIMER1CLEAR ); do_leds(); do_set_rtc(); //houhh 20070713, 检测是否要更新系统当前时间到cmos rtc设备... do_timer(regs); do_profile(regs); }
一般认为时钟中断计时的精度较高，所以在时钟中断服务程序中会每隔11分钟(660秒)就检测一次是否须要将此时的系统时间写回到RTC当中, 所以在ep93xx的时钟中断服务程序中，须要加上do_set_rtc()，关于这个函数具体的功能请具体参见源码.
四. RTC设备驱动程序
主要指出RTC设备及相关操作，这一块相当简单，RTC时钟处理成一简单字符设备.
基础文件结构: static struct file_operations pcf8563_fops = { owner: THIS_MODULE, ioctl: pcf8563_ioctl, open: pcf8563_open, release: pcf8563_release, }; 文件: linux-2.4.21\drivers\char\pcf8563_rtc.c 描述: RTC设备的文件结构，指文件打开及释放操作，其实最核心的还是ioctl，这里可以进行时间读取以及时间设置操作, 具体使用示例可以参考rtctest.c示例文件.
文件: linux-2.4.21\drivers\char\pcf8563_rtc.c 描述:时间设置与读取. get_rtc_time(struct rtc_time *tm); Set_rtc_time(struct rtc_time *tm);
文件: linux-2.4.21\drivers\charpcf8563_rtc.c 描述: I2C读写, 这两个函数是从文件i2c-ep93xx.c中引用的，定义成宏. extern int pcf8563_writedata(uchar address, uchar mdata); extern uchar pcf8563_readdata(uchar address); #define rtc_reg_read(x) pcf8563_readdata(x) #define rtc_reg_write(x,y) pcf8563_writedata(x, y)
文件: linux-2.4.21\drivers\charpcf8563_rtc.c 描述: 模块初始化，负责注册/注消RTC字符设备. int __init pcf8563_init(void) void __exit pcf8563_exit(void)
五. I2C总线读写
i2c总线读写方式为软件模拟方式，因为ep93xx没有相关的i2c总线控制器，因此只能通过软件方式来模拟I2C总线的读写, 在调试过程中遇到如下问题，注意如下即可:
1. 注意延时的时间，I2C的开始条件与读写时都须要一定的延时，根据主设备(即ep93xx cpu)的运行速度，此延时必须是一个稳定的时间，通常采取读取特定外设i/o以达此目的. 2. 注意在改变I2C的SDA数据线状态时，必须是在SCL时钟线为低的时候，因为根据开始与结束条件的要求，开始与结束条件是在SCL时钟线高的时候SDA拉高或者拉低，所以如果在传送数据时，SCL为高，则会被当成开始或结束条件，通信失败. 3. 在读写I2C总线时，每传送或接收一BYTE数据，必须要进行回应. Ø 写回应：主设备写完八位数据后，在第九个周期等待从设备来拉低SDA作为回应，因此须先将SDA在第八周期SCL低时拉高，之后拉高SCL等从设备回应，等到从设备回应后拉低SCL，第九周期结束，一个BYTE传送完成. Ø 读回应：主设备读从设备八位数据后，也应该在第九周期进行回应，分如下两种情况: 连续读n个字节时，前n-1个字节以拉低作回应，第n个字节则为拉高SDA回应，因此如若是每次只读一个字节，则回应为拉高. 4. 操作SDA/SCL PIN时，注意在读SDA时，将其设置成输入状态.
文件: linux-2.4.21\drivers\i2ci2c-ep93xx.c 描述: SDA/SCL PIN脚定义, 为EP93xx的GPIO口G口的第0, 1位. #define I2C_SDA_PORT GPIO_PGDR #define I2C_SDA_DIR GPIO_PGDDR #define I2C_SDA_MASK 0x2 //EEDAT... #define I2C_SCL_PORT GPIO_PGDR #define I2C_SCL_DIR GPIO_PGDDR #define I2C_SCL_MASK 0x1 //EECLK...
文件: linux-2.4.21\drivers\i2c\ i2c-ep93xx.c 描述: SDA/SCL输入输出. static void bit_ep93xx_setscl(void* data, int state) { unsigned long flags; save_flags(flags); outl(inl(I2C_SCL_DIR) | I2C_SCL_MASK, I2C_SCL_DIR); // tristate pin if (state){ cli(); outl(inl(I2C_SCL_PORT) | I2C_SCL_MASK, I2C_SCL_PORT); // drive pin } else{ cli(); outl(inl(I2C_SCL_PORT) & ~I2C_SCL_MASK, I2C_SCL_PORT); // drive pin } restore_flags(flags); } //=========================================================================== /// write SCL pin //=========================================================================== static void bit_ep93xx_setsda(void* data, int state) { unsigned long flags; save_flags(flags); outl(inl(I2C_SDA_DIR) | I2C_SDA_MASK, I2C_SDA_DIR); // output... if (state){ cli(); outl(inl(I2C_SDA_PORT) | I2C_SDA_MASK, I2C_SDA_PORT); // drive pin } else{ cli(); outl(inl(I2C_SDA_PORT) & ~I2C_SDA_MASK, I2C_SDA_PORT); // drive pin } restore_flags(flags); }
具体有关I2C总线软件模拟通信部分，参考源码.
六. Linux下的I2C驱动层次结构.
Linux最大的特点，就是将一系列的驱动中共有的东西抽象出来，大大提高代码的共享与利用率，这样使具体硬件设备的驱动作者无须关注驱动中共性的部分，I2C驱动同样如此，这里我不打算详细的分析I2C的层次结构，只是简单的陪析一下其大略的层次, 并指出几个不易理解的地方。
1. 适配器层(adapters) 描述: 这一层简单的理解，可以理解成是I2C总线的抽象，它提供访问I2C总线的方法规则，并包含在物理总线上适用此规则进行I2C通信的I2C设备, 而且I2C设备并不须是在同一条总线上，只须满足相同的访问I2C总线方法规则，且设备地址不重重叠. 2. I2C设备驱动层(i2c client driver) 描述:具体到每个挂在I2C上的设备, 针对特定的设备可以有不同的驱动, 诸如设备标志ID, 设备名称, 设备属性志Flag, 还有就是设备连接及拔除的相应处理. 3. I2C数据传送规则层(algorithms) 描述: 针对具体的I2C总线, 可以有不同的数据传输规则, 分为三种: ü 大体来说如果本身就有I2C控制器的, I2C使用起来就比较简单, 传输入数据时就是读写一些寄存器即可. ü 通地软件模拟方式进行数据传输, I2C中这个规则被称为algorithms for bit-shift, 这种编程起来稍微麻烦一些, 要用软件模拟I2C的通信协议规则. ü 通过每三方总线间接的连接I2C总线的, 如ISA总线, 此时I2C是间接连接在系统上, 这种方式通常与具体的所连接上的总线相关. 另外, 还有一种规则是针对SMBus总线, 这个总线是Intel推出的兼容I2C协议的, 可能一次传送一个字,两个字节,多个字节等等, 这里没有用到,并不详述, 由此我们可以理会I2C设计者设计的结构的灵活程度.
以上简述了I2C驱动层次结构, 现在具体的就PCF8563 RTC来描述每一层具体由哪些文件组成, 结合实际的驱动文件说明:
1. 适配器层----------------- i2c-core.c, i2c-dev.c 2. I2C设备驱动层---------pcf8563-rtc.c 3. I2C数据传送规则层--- i2c-algo-bit.c, i2c-ep93xx
大体对照I2C驱动的层次结构, 结合以上文件来看, 可以理解I2C的驱动.
I2C驱动代码中不易理解的几点:
结合在代码阅读时我所经历的过程, 说明以下几点不易明白的地方:
1. i2c设备的识别 描述:每个I2C设备有自己特定的设备地址,通常为读地址及写地址; 2.4版当中是采取遍历的方式来查找I2C设备应该, 每个i2c设备都会标明自己所处的地址, 描述i2c设备所处地址范围的结构比较复杂, 它包括描述i2c设备所处地址范围, 要忽略的地址范围, 应当强制检测的范围等, 个人感觉些结构设计过于重复, 在2.6版中已经简化. 具体的I2C设备检测时, 即根据这些地址, 从0~0x7f开始检测, 检测时会跳出过无须检测的范围. 比如一i2c设备写地址为0xa0, 则在此描述时给出的地址值是0x50, 因此在真实写此设备时, 必须将地址左移两位得真实地址.
2.4版i2c地址描述结构: struct i2c_client_address_data { unsigned short *normal_i2c; unsigned short *normal_i2c_range; unsigned short *probe; unsigned short *probe_range; unsigned short *ignore; unsigned short *ignore_range; unsigned short *force; }; 2.6版i2c地址描述结构: struct i2c_client_address_data { unsigned short *normal_i2c; unsigned short *probe; unsigned short *ignore; unsigned short **forces; };
2. i2c设备设备的读与写 描述:设备地址一般为7位, 此地址是字节的高七位, 最低的一位用于描述是读设备还是写设备, 因此可知I2C设备读写地址必然相连, 因此读写地址转换通常为最低位或上1, 或者清除1, 另外还记得这里描述的地址必须左移两位, 因为给出的设备地址是以低七位形式给出. 写地址一般是小于读地址, 所以通常读地址都是写地址或上1即得, 因此在设备驱动结构i2c_client中, 仅用一addr成员来描述设备地址. 具体来说, 看i2c-algo-bit.c文件下的bit_doAddress()函数, 如果是七位地址的I2C总线, 其处理如下, 将设备地址左移两位得写地址, 然后或上1, 即得读地址. addr = ( msg->addr << 1 ); if (flags & I2C_M_RD ) addr |= 1; 3. i2c adapters 及algorithms的管理. 描述: 每一个adapters 都会有一个唯一的标志, 如我们的EP93xx则定义为I2C_HW_B_EP93XX, 每一种algorithms都也有一个ID标志, bit-shift algorithms的标志即为: I2C_ALGO_BIT., 关于这些标志的定义, 可以查看i2c-id.h文件. 具体的, 添加一个bit-shift algorithms的adapters , 可以调用i2c_bit_add_bus()函数, 这个调用由用户发出, 一般在模块加载的init函数中调用, 每当加入一个adapters, 都会检测已经注册的i2c driver设备是否适用此adapters, 如果适用则调用该i2c设备driver下的attach_adapter, 通知设备发现其相应适配器, 只有找到相应适配器, 该设备才能使用i2c总线. |
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