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: /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..一.Linux下的时钟系统简介
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.
linux的内核时间实际上是记录从1970年1月1日距离现在的秒数，并且以GMT(格林尼治时间)(或者叫UTC- Coordinated Universal Time)为标准, UTC是不随着DST(夏令时)变换，需要有变化的是由应用程序自身来完成时间的转换。
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 0713...
/
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 0713,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_PORTGPIO_PGDR
#define I2C_SDA_DIRGPIO_PGDDR
#define I2C_SDA_MASK0x2//EEDAT...
#define I2C_SCL_PORTGPIO_PGDR
#define I2C_SCL_DIRGPIO_PGDDR
#define I2C_SCL_MASK0x1//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.
