Windows下I2C总线的GPIO模拟

邹应双

摘要：简要介绍了I2C总线操作和基于Windows内核模式驱动的用户态I/O端口访问，分析了Windows平台下GPIO管脚模拟I2C总线的可行性，讲解了编程实现过程，连接I2C接口的安全芯片进行了验证。

关键词：I2C总线；GPIO管脚；Windows；内核模式驱动

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）01-0100-04

Abstract： I2C bus operations and user-mode I/O port access using Windows kernel mode driver are briefly introduced in this paper. And a feasibility analysis on simulating I2C bus with GPIO pins under Windows is made. Then we do a programming impelmentation to the simulating method， and verify the software by accessing an I2C-interfaced security chip.

Key words： I2C bus； GPIO pins； Windows； kernel mode driver

1 背景

I2C總线是Philips公司推出的两线式串行总线，用于嵌入式系统连接各种低速外围设备，如RTC、EEPROM、传感器、安全芯片等。许多单片机、嵌入式芯片等都带有I2C主控器，其采用的操作系统如嵌入式Linux等均带有I2C驱动程序，编程中可直接使用。对于不含I2C主控器的芯片，为了满足定制系统设计需求，一般也有大量的GPIO管脚，可用于软件模拟I2C总线。

Intel公司的X86系列CPU和配套的桥接芯片，除了用于桌面PC，还广泛用于网关、收银、视频等各种嵌入式服务器。这类服务器一般采用Windows Server操作系统，不带有I2C主控器或不提供I2C驱动程序。为了实现软件授权和保护，这类嵌入式服务器首先会选择管脚少、性价比高的I2C接口的安全芯片。为了满足这种需求，一种方法是采用USB转I2C的专用芯片，但这将增加硬件成本和软件复杂度。

基于I2C总线的简单性，可选用桥接芯片的GPIO管脚来模拟I2C主控器。GPIO管脚通过X86的I/O指令即可完全控制；但普通应用程序在Windows下无法直接访问I/O端口，可通过内核模式驱动程序来实现。在Windows平台下通过GPIO管脚模拟I2C总线，将是一种简单有效、低成本的解决方法。本文就这个模拟过程进行探讨。

2 I2C总线的读写

I2C总线通过时钟和数据两根线即可实现完善的同步数据传输。当发送数据时，一个设备作为主机，另一个设备作为从机。主设备为数据传输产生时钟信号。I2C通讯协议要求在时钟线（SCL， Serial Clock Line）处于低电平时，数据线（SDA， Serial Data Line）才能变化。协议中每个从设备都有一个地址，会一直监视总线上的主设备要初始化数据传输时发出的地址并匹配。

总线的工作流程如下：

空闲：当总线上没有数据通讯发生时，SCL和SDA通过上拉电阻呈高电平。

开始：SCL为高时，SDA由高变低，这时数据传输开始。

地址：主设备发送地址信息，包含7位的从设备地址和1位的读写位（表明数据流的方向）。发送完一个字节后，从设备会发送一位的认可位（ACK）。

数据：根据方向位，数据在主设备和从设备之间传输。数据一般以8位传输，高位在前。接收器上用一位的ACK表明一个字节收到了。传输可被终止或重新开始。

停止：当SCL为高时，SDA由低变高，这时数据传输结束，总线重新进入空闲状态。

一次完整的数据传输时序如图1所示。

标准I2C总线的传输速率是100KHz，通过线与逻辑实现慢速设备等待。I2C总线的这些特性允许主设备的功能通过两个GPIO管脚模拟而实现。

3 Windows下的I/O端口访问

端口I/O指令允许X86 CPU与系统中的其他硬件设备通信。对于硬件设备的低层次直接控制，C函数_inp（）和_outp（）（用X86处理器的IN和OUT指令实现）允许从端口读入或向一个端口写。但在Windows应用程序中插入_inp（）或者_outp（），将导致特权指令异常消息，并给出终止或调试出错应用程序的选择。Windows的体系结构决定了应用程序不能直接通过IN和OUT指令访问硬件。否则，应用程序可以关闭中断、破坏显示或驱动器等硬件设备，危及系统的稳定性。所以，通过内核模式驱动程序间接访问I/O端口是Windows下访问硬件资源的唯一途径。

实现对I2C主控器的模拟，只需要简单的I/O访问即可实现。如果编写完整的内核模式的I2C驱动程序，将涉及复杂的、花费大量时间的Windows内核模式驱动驱动程序的开发和调试工作。编写最简驱动实现I/O端口访问，封装好用户态访问的接口，将I2C实现代码放在用户态，将极大地简化开发工作，同时增加二次开发利用的灵活性。

这样通过内核模式驱动程序实现I/O访问的副作用是每一次I/O操作都要通过Windows的I/O子系统发送请求，需要花费数千个时钟周期。但这个时间成本和100KHz的慢速I2C的一个位周期相当，对于数据传输量不大的应用，在性能上可接受。

4 编程实现

本文的目标硬件平台为Intel Core i3-4330 CPU、Intel DH82H81桥接芯片、Maxim DS28C22安全芯片。桥片和安全芯片的连接如图2所示。

本文的目標软件平台是64位的Windows Server 2008，开发平台是Windows 10 专业版，选用WDK（Windows Driver Kit） 7.1和Visual Studio 2015专业版。通过查询方式实现I2C读写，驱动层提供I/O端口访问功能，pioctl.dll库封装驱动成类似于IN/OUT指令的接口，i2c.dll实现I2C读写函数，提供给上层做应用开发。软件层次结构如图3所示。

下面按自底向上的顺序简单介绍各层次的实现源码。

4.1 内核模式驱动

和Linux驱动的开发相比，Windows驱动开发的门槛要高一些，首先需安装WDK，了解其中的核心态函数，熟悉WDM、WDF等驱动程序框架。

WDK中提供了大量的样例驱动供驱动开发者参考。考虑到我们的驱动只需提供X86的IN和OUT指令的访问接口，特选择WDK样例中源码最简单的src/general/ioctl/wdm为基础，命名为pioctl，并对驱动源码中的函数名等做适当重命名，添加上I/O端口访问的代码，即实现了本驱动。这个开发过程不需要对Windows驱动开发有较深入的了解。

本驱动程序的驱动加载和卸载、设备打开和关闭等例程无新加代码，不是本文的重点，下面仅对I/O端口操作相关的代码做说明。

NTSTATUS PioctlDeviceControl（PDEVICE_OBJECT DeviceObject， PIRP Irp）

{

PIO_STACK_LOCATION irpSp；

NTSTATUS ntStatus = STATUS_SUCCESS；

ULONG inBufLength， outBufLength；

ULONG dataBufSize；

PULONG pIOBuffer；

ULONG nPort；

irpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation（Irp）；

inBufLength = irpSp->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength；

outBufLength = irpSp->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength；

switch （irpSp->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode）

{ // 检查用户态参数

case IOCTL_PIOCTL_WRITE_PORT_ULONG：

dataBufSize = sizeof（ULONG）；

if （inBufLength < （sizeof（ULONG） + dataBufSize）） {

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

break；

case IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG：

dataBufSize = sizeof（ULONG）；

if （inBufLength ！= sizeof（ULONG） || outBufLength < dataBufSize） {

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

break；

default：

ntStatus = STATUS_INVALID_PARAMETER；

goto End；

}

pIOBuffer = （PULONG）Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer；

nPort = *pIOBuffer； // I/O端口号

switch （ irpSp->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode ）

{ // 判定I/O控制码

case IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG： // IND

*（PULONG）pIOBuffer = READ_PORT_ULONG（（PULONG）（（ULONG_PTR）nPort））；

pIrp->IoStatus.Information = dataBufSize； // 读取的字节数

break；

case IOCTL_PIOCTL_WRITE_PORT_ULONG： // OUTD

pIOBuffer++；

WRITE_PORT_ULONG（（PULONG）（（ULONG_PTR）nPort）， *（PULONG）pIOBuffer）；

Irp->IoStatus.Information = dataBufSize； // 写的字节数

break；

default：

Irp->IoStatus.Information = 0；

ntStatus = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST；

break；

}

End：

Irp->IoStatus.Status = ntStatus；

IoCompleteRequest（Irp， IO_NO_INCREMENT）；

return ntStatus；

}

4.2 用户态I/O端口读写接口

为了应用程序的开发方便，实现了pioctl.dll库，以负责自动动态加载卸载驱动程序、提供I/O端口的用户态访问接口。

1）DLL入口函数

BOOL APIENTRY DllMain（HMODULE hModule， DWORD ul_reason_for_call， LPVOID）

{

switch （ul_reason_for_call）

{

case DLL_PROCESS_ATTACH：

if （pioctl_init（） < 0） // 利用SCM函数加载驱动； 打开设备文件

return FALSE；

break；

case DLL_PROCESS_DETACH：

pioctl_deinit（）； // 关闭设备文件； 利用SCM函数卸载驱动

break；

}

return TRUE；

}

2）端口访问函数

PIOCTL_API unsigned long pioctl_inpd（unsigned short port）

{

ULONG PortNumber = （ULONG）port；

ULONG Data；

ULONG bytesReturned；

BOOL bRc；

bRc = DeviceIoControl（s_hDevice， （DWORD）IOCTL_PIOCTL_READ_PORT_ULONG，

&PortNumber， sizeof（PortNumber）， &Data， sizeof（Data）， &bytesReturned， NULL）；

if （！bRc） {

fprintf（stderr， "Error in DeviceIoControl ： %d＼n"， GetLastError（））；

return -1；

}

return Data；

}

pioctl_outpd（）类似，不再列举出。

4.3 I2C读写函数

本文采用查询方式实现I2C读写函数。硬件上用DH82H81的GPIO8模拟SCL、GPIO15模拟SDA，封装成i2c.dll库。这两个管脚为专用GPIO脚，通过GP_IO_SEL和GP_LVL两个端口即可控制其I/O方向和电平值。下面以I2C操作中的启动和发送字节为例，讲解其实现。其他操作的实现过程类似，不再赘述。

1）初始化函数

#define SCL GPIO8

#define SDA GPIO15

void i2c_init（void）

{

gpioDir = pioctl_inpd（GP_IO_SEL） & ～（（1 << SCL） | （1 << SDA））； // 0：OUTPUT

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）； // 设置GPIOs的I/O方向

gpioVal = pioctl_inpd（GP_LVL） | （（1 << SCL） | （1 << SDA））；

pioctl_outpd（GP_LVL， gpioVal）； // 设置GPIOs的电平

}

2）端口的位操作函数

int gpio_in（int gpio_num）

{ // 读取GPIOs输入脚

if （（gpioDir & （1<

gpioDir |= （1<

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）；

}

return （pioctl_inpd（GP_LVL） & （1<

}

void gpio_out（int gpio_num， int level）

{ // 写GPIOs输出脚

if （ gpioDir & （1<

gpioDir &= ～（1<

pioctl_outpd（GP_IO_SEL， gpioDir）；

}

gpioVal = pioctl_inpd（GP_LVL） & ～（1<

if （level）

gpioVal |= 1<

pioctl_outpd（GP_LVL， gpioVal）； // 设置GPIO的电平

}

3）I2C读寫函数

#define i2c_scl（level） gpio_out（SCL， level）

#define i2c_sda（level） gpio_out（SDA， level）

#define i2c_sda_in（） gpio_in（SDA）

void i2c_start（void）

{ // 当SCL为高电平时，SDA发生由高到低的跳变

i2c_scl（1）；

i2c_sda（0）；

i2c_scl（0）；

}

int i2c_send_data（unsigned char octet）

{ // 发送一个字节

int i， ack；

for（i=0x80； i>0； i>>=1） {

i2c_sda（octet & i ？ 1 ： 0）；

i2c_scl（1）；

i2c_scl（0）；

}

i2c_sda（1）； // 发送器件释放SDA线

i2c_scl（1）；

ack = i2c_sda_in（）； // 讀取低电平有效的ACK位

scl（0）； // 实现了了ACK

return （ack）； // 返回ACK位

}

4.4 驱动加载和调试

由于目标软件平台为64位系统，pioctl.sys驱动相应编译成64位，需要禁用Windows Server 2008的数字签名，编译的驱动才能加载。

在pioctl.sys驱动中通过KdPrint（）宏输出调试信息，通过WinDbg工具捕获调试信息，以和printf函数类似的方式调试代码。

5 结束语

本文基于GPIO管脚的I2C操作模拟方法，在图2所示的采用Windows Server 2008的目标平台上做测试，实现了和D28C22安全芯片的可靠通信，验证了本方法的正确性。该方法的原理可供类似的采用Intel X86方案的产品设计参考，以有效节省采用转接芯片的成本、降低软件开发的难度。

这种用户态I/O端口访问的硬件模拟，花费较高的CPU时间成本，对于高速的简单I/O设备访问，有较大的局限性。但基于本方法，可在用户态将硬件操作代码调试好，再直接封装到内核模式驱动程序中，将极大地降低开发特定Windows设备驱动的难度。

参考文献：

[1] 田磊， 宋圆方. 基于Windows CE的IIC设备驱动的实现[J]. 西安邮电学院学报， 2008（1）： 126-128.

[2] 蔡纯洁， 邢武. PIC 16/17 单片机原理与实现[M]. 合肥： 中国科学技术大学出版社， 1997.

[3] 保拉?汤姆林森. Windows NT/2000编程实践[M]. 北京： 中国电力出版社， 2001.

[4] 张佩， 马勇， 董鉴源. 竹林蹊径——深入浅出Windows驱动开发[M]. 北京： 电子工业出版社， 2011.