I2C 概述

I2C是philips提出的外設(shè)總線.

I2C只有兩條線,一條串行數(shù)據(jù)線:SDA,一條是時(shí)鐘線SCL?，使用SCL，SDA這兩根信號(hào)線就實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，它方便了工程師的布線。

因此，I2C總線被非常廣泛地應(yīng)用在EEPROM，實(shí)時(shí)鐘，小型LCD等設(shè)備與CPU的接口中。

linux下的驅(qū)動(dòng)思路

在linux系統(tǒng)下編寫I2C驅(qū)動(dòng)，目前主要有兩種方法，一種是把I2C設(shè)備當(dāng)作一個(gè)普通的字符設(shè)備來處理，另一種是利用linux下I2C驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)來完成。下面比較下這兩種方法：
第一種方法：
優(yōu)點(diǎn)：思路比較直接，不需要花很多時(shí)間去了解linux中復(fù)雜的I2C子系統(tǒng)的操作方法。
缺點(diǎn)：
?? 　　 ?要求工程師不僅要對I2C設(shè)備的操作熟悉，而且要熟悉I2C的適配器(I2C控制器)操作。
?? 　　 ?要求工程師對I2C的設(shè)備器及I2C的設(shè)備操作方法都比較熟悉，最重要的是寫出的程序可以移植性差。
?? 　　 ?對內(nèi)核的資源無法直接使用，因?yàn)閮?nèi)核提供的所有I2C設(shè)備器以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)都是基于I2C子系統(tǒng)的格式。

第一種方法的優(yōu)點(diǎn)就是第二種方法的缺點(diǎn)，
第一種方法的缺點(diǎn)就是第二種方法的優(yōu)點(diǎn)。

I2C架構(gòu)概述

Linux的I2C體系結(jié)構(gòu)分為3個(gè)組成部分：

I2C核心：I2C核心提供了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊，注銷方法，I2C通信方法(”algorithm”)上層的，與具體適配器無關(guān)的代碼以及探測設(shè)備，檢測設(shè)備地址的上層代碼等。

I2C總線驅(qū)動(dòng)：I2C總線驅(qū)動(dòng)是對I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中適配器端的實(shí)現(xiàn)，適配器可由CPU控制，甚至可以直接集成在CPU內(nèi)部。

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)：I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)(也稱為客戶驅(qū)動(dòng))是對I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中設(shè)備端的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過I2C適配器與CPU交換數(shù)據(jù)。

linux驅(qū)動(dòng)中i2c驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

上圖完整的描述了linux i2c驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，雖然I2C硬件體系結(jié)構(gòu)比較簡單，但是i2c體系結(jié)構(gòu)在linux中的實(shí)現(xiàn)卻相當(dāng)復(fù)雜。

那么我們?nèi)绾尉帉懱囟╥2c接口器件的驅(qū)動(dòng)程序？就是說上述架構(gòu)中的那些部分需要我們完成，而哪些是linux內(nèi)核已經(jīng)完善的或者是芯片提供商已經(jīng)提供的？

架構(gòu)層次分類

第一層：提供i2c adapter的硬件驅(qū)動(dòng)，探測、初始化i2c adapter（如申請i2c的io地址和中斷號(hào)），驅(qū)動(dòng)soc控制的i2c adapter在硬件上產(chǎn)生信號(hào)（start、stop、ack）以及處理i2c中斷。覆蓋圖中的硬件實(shí)現(xiàn)層

第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xferf()函數(shù)來填充i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)指針，并把賦值后的i2c_algorithm再賦值給i2c_adapter的algo指針。覆蓋圖中的訪問抽象層、i2c核心層

第三層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設(shè)備的attach_adapter()、detach_adapter()方法賦值給i2c_driver的成員函數(shù)指針。實(shí)現(xiàn)設(shè)備device與總線（或者叫adapter）的掛接。覆蓋圖中的driver驅(qū)動(dòng)層

第四層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備所對應(yīng)的具體device的驅(qū)動(dòng)，i2c_driver只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備與總線的掛接，而掛接在總線上的設(shè)備則是千差萬別的，所以要實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設(shè)備（多數(shù)是字符設(shè)備）。覆蓋圖中的driver驅(qū)動(dòng)層

第一層和第二層又叫i2c總線驅(qū)動(dòng)(bus)，第三第四屬于i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)(device driver)。

在linux驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，幾乎不需要驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員再添加bus，因?yàn)閘inux內(nèi)核幾乎集成所有總線bus，如usb、pci、i2c等等。并且總線bus中的(與特定硬件相關(guān)的代碼)已由芯片提供商編寫完成，例如三星的s3c-2440平臺(tái)i2c總線bus為/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

第三第四層與特定device相干的就需要驅(qū)動(dòng)工程師來實(shí)現(xiàn)了。

Linux下I2C體系文件構(gòu)架

在Linux內(nèi)核源代碼中的driver目錄下包含一個(gè)i2c目錄

i2c-core.c這個(gè)文件實(shí)現(xiàn)了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。
??i2c-dev.c實(shí)現(xiàn)了I2C適配器設(shè)備文件的功能，每一個(gè)I2C適配器都被分配一個(gè)設(shè)備。通過適配器訪設(shè)備時(shí)的主設(shè)備號(hào)都為89，次設(shè)備號(hào)為0-255。I2c-dev.c并沒有針對特定的設(shè)備而設(shè)計(jì)，只是提供了通用的read(),write(),和ioctl()等接口，應(yīng)用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C設(shè)備的存儲(chǔ)空間或寄存器，并控制I2C設(shè)備的工作方式。
busses文件夾這個(gè)文件中包含了一些I2C總線的驅(qū)動(dòng)，如針對S3C2410，S3C2440，S3C6410等處理器的I2C控制器驅(qū)動(dòng)為i2c-s3c2410.c.
algos文件夾實(shí)現(xiàn)了一些I2C總線適配器的algorithm.

重要的結(jié)構(gòu)體

i2c_driver

[cpp]?view plain?copy

struct?i2c_driver?{??

unsigned?int?class;??

int?(*attach_adapter)(struct?i2c_adapter?*);//依附i2c_adapter函數(shù)指針??

int?(*detach_adapter)(struct?i2c_adapter?*);//脫離i2c_adapter函數(shù)指針??

int?(*probe)(struct?i2c_client?*,?const?struct?i2c_device_id?*);??

int?(*remove)(struct?i2c_client?*);??

void?(*shutdown)(struct?i2c_client?*);??

int?(*suspend)(struct?i2c_client?*,?pm_message_t?mesg);??

int?(*resume)(struct?i2c_client?*);??

void?(*alert)(struct?i2c_client?*,?unsigned?int?data);??

int?(*command)(struct?i2c_client?*client,?unsigned?int?cmd,?void*arg);//命令列表??

struct?device_driver?driver;??

const?struct?i2c_device_id?*id_table;//該驅(qū)動(dòng)所支持的設(shè)備ID表??

int?(*detect)(struct?i2c_client?*,?struct?i2c_board_info?*);??

const?unsigned?short?*address_list;??

struct?list_head?clients;??

};??

i2c_client

[cpp]?view plain?copy

struct?i2c_client?{??

unsigned?short?flags；//標(biāo)志????

unsigned?short?addr;?//低7位為芯片地址????

char?name[I2C_NAME_SIZE];//設(shè)備名稱??

struct?i2c_adapter?*adapter;//依附的i2c_adapter??

struct?i2c_driver?*driver;//依附的i2c_driver???

struct?device?dev;//設(shè)備結(jié)構(gòu)體????

int?irq;//設(shè)備所使用的結(jié)構(gòu)體????

struct?list_head?detected;//鏈表頭??

};??

i2c_adapter

[cpp]?view plain?copy

struct?i2c_adapter?{??

struct?module?*owner;//所屬模塊??

unsigned?int?id;//algorithm的類型，定義于i2c-id.h,??

unsigned?int?class;??????

const?struct?i2c_algorithm?*algo;?//總線通信方法結(jié)構(gòu)體指針??

void?*algo_data;//algorithm數(shù)據(jù)??

struct?rt_mutex?bus_lock;//控制并發(fā)訪問的自旋鎖??

int?timeout;?????

int?retries;//重試次數(shù)??

struct?device?dev;?//適配器設(shè)備???

int?nr;??

char?name[48];//適配器名稱??

struct?completion?dev_released;//用于同步??

struct?list_head?userspace_clients;//client鏈表頭??

};??

i2c_algorithm

[cpp]?view plain?copy

struct?i2c_algorithm?{??

int?(*master_xfer)(struct?i2c_adapter?*adap,?struct?i2c_msg?*msgs,?int?num);//I2C傳輸函數(shù)指針??

int?(*smbus_xfer)?(struct?i2c_adapter?*adap,?u16?addr,unsigned?short?flags,?char?read_write,u8?command,?int?size,?union???

i2c_smbus_data?*data);//smbus傳輸函數(shù)指針??

u32?(*functionality)?(struct?i2c_adapter?*);//返回適配器支持的功能??

};??

各結(jié)構(gòu)體的作用與它們之間的關(guān)系

i2c_adapter與i2c_algorithm

i2c_adapter對應(yīng)與物理上的一個(gè)適配器，而i2c_algorithm對應(yīng)一套通信方法，一個(gè)i2c適配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下層與硬件相關(guān)的代碼提供）通信函數(shù)來控制適配器上產(chǎn)生特定的訪問周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指針。

i2c_algorithm中的關(guān)鍵函數(shù)master_xfer()用于產(chǎn)生i2c訪問周期需要的start stop ack信號(hào)，以i2c_msg（即i2c消息）為單位發(fā)送和接收通信數(shù)據(jù)。

i2c_msg也非常關(guān)鍵，調(diào)用驅(qū)動(dòng)中的發(fā)送接收函數(shù)需要填充該結(jié)構(gòu)體

[cpp]?view plain?copy

struct?i2c_msg?{????

__u16?addr;?/*?slave?address????????????*/????

__u16?flags;????????????

__u16?len;??????/*?msg?length???????????????*/????

__u8?*buf;??????/*?pointer?to?msg?data??????????*/????

};???

i2c_driver和i2c_client

i2c_driver對應(yīng)一套驅(qū)動(dòng)方法，其主要函數(shù)是attach_adapter()和detach_client()

i2c_client對應(yīng)真實(shí)的i2c物理設(shè)備device，每個(gè)i2c設(shè)備都需要一個(gè)i2c_client來描述

i2c_driver與i2c_client的關(guān)系是一對多。一個(gè)i2c_driver上可以支持多個(gè)同等類型的i2c_client.

i2c_adapter和i2c_client

i2c_adapter和i2c_client的關(guān)系與i2c硬件體系中適配器和設(shè)備的關(guān)系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一個(gè)適配器上可以連接多個(gè)i2c設(shè)備，所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的鏈表。

從i2c驅(qū)動(dòng)架構(gòu)圖中可以看出，linux內(nèi)核對i2c架構(gòu)抽象了一個(gè)叫核心層core的中間件，它分離了設(shè)備驅(qū)動(dòng)device driver和硬件控制的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（如操作i2c的寄存器），core層不但為上面的設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供封裝后的內(nèi)核注冊函數(shù)，而且還為小面的硬件事件提供注冊接口（也就是i2c總線注冊接口），可以說core層起到了承上啟下的作用。

具體分析

先看一下i2c-core為外部提供的核心函數(shù)（選取部分），i2c-core對應(yīng)的源文件為i2c-core.c，位于內(nèi)核目錄/driver/i2c/i2c-core.c

[cpp]?view plain?copy

EXPORT_SYMBOL(i2c_add_adapter);????

EXPORT_SYMBOL(i2c_del_adapter);????

EXPORT_SYMBOL(i2c_del_driver);????

EXPORT_SYMBOL(i2c_attach_client);????

EXPORT_SYMBOL(i2c_detach_client);????

EXPORT_SYMBOL(i2c_transfer);??

i2c_transfer()函數(shù)：i2c_transfer()函數(shù)本身并不具備驅(qū)動(dòng)適配器物理硬件完成消息交互的能力，它只是尋找到i2c_adapter對應(yīng)的i2c_algorithm，并使用i2c_algorithm的master_xfer()函數(shù)真正的驅(qū)動(dòng)硬件流程，代碼清單如下，不重要的已刪除。

[cpp]?view plain?copy

int?i2c_transfer(struct?i2c_adapter?*?adap,?struct?i2c_msg?*msgs,?int?num)????

{????

int?ret;????

if?(adap->algo->master_xfer)?{//如果master_xfer函數(shù)存在，則調(diào)用，否則返回錯(cuò)誤????

ret?=?adap->algo->master_xfer(adap,msgs,num);//這個(gè)函數(shù)在硬件相關(guān)的代碼中給algorithm賦值????

return?ret;????

}?else?{????

return?-ENOSYS;????

}????

}??

當(dāng)一個(gè)具體的client被偵測到并被關(guān)聯(lián)的時(shí)候，設(shè)備和sysfs文件將被注冊。

相反的，在client被取消關(guān)聯(lián)的時(shí)候，sysfs文件和設(shè)備也被注銷，驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員在開發(fā)i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要調(diào)用下列函數(shù)。程序清單如下

[cpp]?view plain?copy

int?i2c_attach_client(struct?i2c_client?*client)????

{????

...????

device_register(&client->dev);????

device_create_file(&client->dev,?&dev_attr_client_name);????

...????

return?0;????

}????

[cpp]?view?plaincopy??

int?i2c_detach_client(struct?i2c_client?*client)????

{????

...????

device_remove_file(&client->dev,?&dev_attr_client_name);????

device_unregister(&client->dev);????

...????

return?res;????

}??

i2c_add_adapter()函數(shù)和i2c_del_adapter()在i2c-davinci.c中有調(diào)用，稍后分析

[cpp]?view plain?copy

int?i2c_add_adapter(struct?i2c_adapter?*adap)????

{????

...????

device_register(&adap->dev);????

device_create_file(&adap->dev,?&dev_attr_name);????

...????

/*?inform?drivers?of?new?adapters?*/????

list_for_each(item,&drivers)?{????

driver?=?list_entry(item,?struct?i2c_driver,?list);????

if?(driver->attach_adapter)????

/*?We?ignore?the?return?code;?if?it?fails,?too?bad?*/????

driver->attach_adapter(adap);????

}????

...????

}????

int?i2c_del_adapter(struct?i2c_adapter?*adap)????

{????

...????

list_for_each(item,&drivers)?{????

driver?=?list_entry(item,?struct?i2c_driver,?list);????

if?(driver->detach_adapter)????

if?((res?=?driver->detach_adapter(adap)))?{????

}????

}????

...????

list_for_each_safe(item,?_n,?&adap->clients)?{????

client?=?list_entry(item,?struct?i2c_client,?list);????

if?((res=client->driver->detach_client(client)))?{????

}????

}????

...????

device_remove_file(&adap->dev,?&dev_attr_name);????

device_unregister(&adap->dev);????

}??

i2c-davinci.c是實(shí)現(xiàn)與硬件相關(guān)功能的代碼集合，這部分是與平臺(tái)相關(guān)的，也叫做i2c總線驅(qū)動(dòng)，這部分代碼是這樣添加到系統(tǒng)中的

[cpp]?view plain?copy

static?struct?platform_driver?davinci_i2c_driver?=?{????

.probe??????=?davinci_i2c_probe,????

.remove?????=?davinci_i2c_remove,????

.driver?????=?{????

.name???=?"i2c_davinci",????

.owner??=?THIS_MODULE,????

},????

};????

/*?I2C?may?be?needed?to?bring?up?other?drivers?*/????

static?int?__init?davinci_i2c_init_driver(void)????

{????

return?platform_driver_register(&davinci_i2c_driver);????

}????

subsys_initcall(davinci_i2c_init_driver);????

static?void?__exit?davinci_i2c_exit_driver(void)????

{????

platform_driver_unregister(&davinci_i2c_driver);????

}????

module_exit(davinci_i2c_exit_driver);??

并且，i2c適配器控制硬件發(fā)送接收數(shù)據(jù)的函數(shù)在這里賦值給i2c-algorithm，i2c_davinci_xfer稍加修改就可以在裸機(jī)中控制i2c適配器

[cpp]?view plain?copy

static?struct?i2c_algorithm?i2c_davinci_algo?=?{????

.master_xfer????=?i2c_davinci_xfer,????

.functionality??=?i2c_davinci_func,????

};???

然后在davinci_i2c_probe函數(shù)中，將i2c_davinci_algo添加到添加到algorithm系統(tǒng)中

[cpp]?view plain?copy

adap->algo?=?&i2c_davinci_algo;???

適配器驅(qū)動(dòng)程序分析

在linux系統(tǒng)中，適配器驅(qū)動(dòng)位于linux目錄下的\drivers\i2c\busses下，不同的處理器的適配器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)有差異，但是總體思路不變。

在適配器的驅(qū)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體非常關(guān)鍵，也是整個(gè)適配器驅(qū)動(dòng)的靈魂。

下面以某個(gè)適配器的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔M(jìn)行說明：

[cpp]?view plain?copy

static?struct?platform_driver?tcc_i2c_driver?=?{??

.probe???=?tcc_i2c_probe,??

.remove???=?tcc_i2c_remove,??

.suspend??=?tcc_i2c_suspend_late,??

.resume???=?tcc_i2c_resume_early,??

.driver???=?{??

.owner??=?THIS_MODULE,??

.name??=?"tcc-i2c",??

},??

};??

以上說明這個(gè)驅(qū)動(dòng)是基于平臺(tái)總線的，這樣實(shí)現(xiàn)的目的是與CPU緊緊聯(lián)系起來。

[cpp]?view plain?copy

static?const?struct?i2c_algorithm?tcc_i2c_algorithm?=?{??

.master_xfer?=?tcc_i2c_xfer,??

.functionality?=?tcc_i2c_func,??

};??

這個(gè)結(jié)構(gòu)體也是非常的關(guān)鍵，這個(gè)結(jié)構(gòu)體里面的函數(shù)tcc_i2c_xfer是適配器算法的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了適配器與I2C CORE的連接。

tcc_i2c_func是指該適配器所支持的功能。

tcc_i2c_xfer這個(gè)函數(shù)實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的處理過程。不同的處理器實(shí)現(xiàn)的方法不同，主要表現(xiàn)在寄存器的設(shè)置與中斷的處理方法上。

把握上面的兩點(diǎn)去分析適配器程序就簡單多了。

I2C-core驅(qū)動(dòng)程序分析

在I2C-core.c這個(gè)函數(shù)中，把握下面的幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)就可以了。

[cpp]?view plain?copy

//增加/刪除i2c_adapter??

int?i2c_add_adapter(struct?i2c_adapter?*adapter)??

int?i2c_del_adapter(struct?i2c_adapter?*adap)??

//增加/刪除i2c_driver??

int?i2c_register_driver(struct?module?*owner,?struct?i2c_driver?*driver)??

void?i2c_del_driver(struct?i2c_driver?*driver)??

//i2c_client依附/脫離??

int?i2c_attach_client(struct?i2c_client?*client)??

//增加/刪除i2c_driver??

int?i2c_register_driver(struct?module?*owner,?struct?i2c_driver?*driver)??

void?i2c_del_driver(struct?i2c_driver?*driver)??

//i2c_client依附/脫離??

int?i2c_attach_client(struct?i2c_client?*client)??

int?i2c_detach_client(struct?i2c_client?*client)??

//I2C傳輸,發(fā)送和接收??

int?i2c_master_send(struct?i2c_client?*client,const?char?*buf?,int?count)??

int?i2c_master_recv(struct?i2c_client?*client,?char?*buf?,int?count)??

int?i2c_transfer(struct?i2c_adapter?*adap,?struct?i2c_msg?*msgs,?int?num)??

I2c_transfer這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了core與adapter的聯(lián)系。

代碼調(diào)用層次圖?

有時(shí)候代碼比任何文字描述都來得直接，但是過多的代碼展示反而讓人覺得枯燥。這個(gè)時(shí)候，需要一幅圖來梳理一下上面的內(nèi)容

上面這些代碼的展示是告訴我們：linux內(nèi)核和芯片提供商為我們的的驅(qū)動(dòng)程序提供了 i2c驅(qū)動(dòng)的框架，以及框架底層與硬件相關(guān)的代碼的實(shí)現(xiàn)。

剩下的就是針對掛載在i2c兩線上的i2c設(shè)備了device，而編寫的即具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)了，這里的設(shè)備就是硬件接口外掛載的設(shè)備，而非硬件接口本身（soc硬件接口本身的驅(qū)動(dòng)可以理解為總線驅(qū)動(dòng)）

編寫驅(qū)動(dòng)需要完成的工作

編寫具體的I2C驅(qū)動(dòng)時(shí)，工程師需要處理的主要工作如下：

1).提供I2C適配器的硬件驅(qū)動(dòng)，探測，初始化I2C適配器(如申請I2C的I/O地址和中斷號(hào))，驅(qū)動(dòng)CPU控制的I2C適配器從硬件上產(chǎn)生。

2).提供I2C控制的algorithm, 用具體適配器的xxx_xfer()函數(shù)填充i2c_algorithm的master_xfer指針，并把i2c_algorithm指針賦給i2c_adapter的algo指針。

3).實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的i2c_driver接口，用具體yyy的yyy_probe()，yyy_remove()，yyy_suspend(),yyy_resume()函數(shù)指針和i2c_device_id設(shè)備ID表賦給i2c_driver的probe,remove,suspend,resume和id_table指針。

4).實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備所對應(yīng)類型的具體驅(qū)動(dòng)，i2c_driver只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備與總線的掛接。

上面的工作中前兩個(gè)屬于I2C總線驅(qū)動(dòng)，后面兩個(gè)屬于I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

?