Linux I2C驅動完全分析（一）

 博主按：其實老早就想寫這個I2C的了，期間有各種各樣的事情給耽誤了。借着五一放假的時間把這個寫出來，供同志們參考。以后會花一些時間深入研究下內核，雖然以前對內核也有所了解，但是還不系統。I2C的硬件結構並不復雜，一個適配器加幾個設備而已。Linux下驅動的體系結構看着挺復雜，實際也是比較簡單的。在本文中我還是使用實際的例子，結合硬件和軟件兩個方面來介紹。希望能給初學的同志們一些幫助，另外拋磚引玉，希望高手能給一些指點。話不多說，開整！~

 

本文用到的一些資源：

   1. Source Insight軟件

   2. mini2440原理圖。 下載地址http://wenku.baidu.com/view/0521ab8da0116c175f0e48fe.html

   3. S3C2440 datasheet

   4. AT24C08 datasheet

   5. Bq27200 datasheet

   6. kernel 2.6.31中的At24.c ，Bq27x00_battery.c和i2c-s3c2410.c

   7. mini2440的板文件mach-mini2440.c

   8. 參考資料：《linux設備驅動開發詳解（第2版）》 by 宋寶華

 

本文的結構：

第一部分：At24C08驅動

   1. mini2440中at24c08的電氣連接

   2. Linux中I2C驅動框架分析

   3. I2C總線驅動代碼分析

   4. at24c08驅動代碼分析

第二部分：Bq27200驅動

   1. Bq27200的典型應用電路

   2. 主要分析一下ba27x00的代碼，對比at24c08來加深理解。

 

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第一部分

1. mini2440中at24c08的電氣連接及其板文件

       如下圖。

                                

24C08的I2C接口是與2440的IICSCL/IICSDA直接相連的。在2440內部集成了一個I2C控制器，可以通過寄存器來控制它。先來和這四個寄存器混個臉熟吧，后面分析時還會經常用到這四個寄存器。

   

 在mini2440的板文件中可以找到關於at24c08的內容，如下：

/* * I2C devices */ static struct at24_platform_data at24c08 = { .byte_len = SZ_8K / 8, .page_size = 16, }; static struct i2c_board_info mini2440_i2c_devs[] __initdata = { { I2C_BOARD_INFO("24c08", 0x50), .platform_data = &at24c08, }, }; static void __init mini2440_init(void) { ... ... i2c_register_board_info(0, mini2440_i2c_devs, ARRAY_SIZE(mini2440_i2c_devs)); ... ... }

可以看出，在mini2440的init函數中注冊了一個i2c的設備，這個設備我們使用了一個結構體i2c_board_info來描述。這個結構體定義在i2c.h文件中。如下：

struct i2c_board_info { char type[I2C_NAME_SIZE]; unsigned short flags; unsigned short addr; void *platform_data; struct dev_archdata *archdata; int irq; };

其中的platform_data又指向一個at24_platform_data結構體。

 

以上只是at24c08的部分，在板文件中還可以看到關於2440內部i2c控制器的部分，如下：

static struct platform_device *mini2440_devices[] __initdata = { ... ... &s3c_device_i2c0, ... ... }; static void __init mini2440_init(void) { ... ... platform_add_devices(mini2440_devices, ARRAY_SIZE(mini2440_devices)); ... ... }

其中s2c_device_i2c0定義在arch/arm/plat-s3c/Dev-i2c0.c中（在同一目錄下還可以看到很多Dev-開頭的c文件，都是2440內部集成的各種設備），仔細看下面的代碼再對比2440的datasheet就可以很清楚的知道：

   * 控制器的IO起始地址為S3C_PA_IIC =0x54000000，大小是4K，中斷號是43 = IRQ_IIC      S3C2410_IRQ(27)

   * 控制器名是"s3c2410-i2c"

static struct resource s3c_i2c_resource[] = { [0] = { .start = S3C_PA_IIC, .end = S3C_PA_IIC + SZ_4K - 1, .flags = IORESOURCE_MEM, }, [1] = { .start = IRQ_IIC, .end = IRQ_IIC, .flags = IORESOURCE_IRQ, }, }; struct platform_device s3c_device_i2c0 = { .name = "s3c2410-i2c", #ifdef CONFIG_S3C_DEV_I2C1 .id = 0, #else .id = -1, #endif .num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_i2c_resource), .resource = s3c_i2c_resource, };

   

2. Linux中I2C驅動框架分析

    這部分是本文的重點部分。根據上面的電氣連接關系我們可以看出，我們要想操作24c08，必須要做兩方面的驅動。

       第一方面： 2440中I2C控制器的驅動，有了這部分驅動，我們才可以操作控制器來產生I2C的時序信號，來發送數據和接收數據。

       第二方面： 24C08的驅動，有了這部分驅動，才能使用控制器正確操作芯片，來讀取和存放數據。

    在Linux系統中，對上邊第一方面的實現叫做I2C總線驅動，對第二方面的實現叫做I2C設備驅動。一般來說，如果CPU中集成了I2C控制器並且Linux內核支持這個CPU，那么總線驅動方面就不用我們操心了，內核已經做好了。但如果CPU中沒有I2C控制器，而是外接的話，那么就要我們自己實現總線驅動了。對於設備驅動來說，一般常用的驅動也都包含在內核中了，如果我們用了一個內核中沒有的芯片，那么就要自己來寫了。

    Linux中I2C體系結構如下圖所示（圖片來源於網絡）。圖中用分割線分成了三個層次：用戶空間（也就是應用程序），內核（也就是驅動部分）和硬件（也就是實際物理設備，這里就是2440中的i2c控制器和at24c08）。這個夠清晰了吧？我們現在就是要研究中間那一層。

   

 由上圖我們還可以看出哪些信息呢？

  1). 可以看到幾個重要的組成部分，它們是：Driver，Client，i2c-dev，i2c-core，Algorithm，Adapter。這幾個部分在內核中都有相應的數據結構，定義在i2c.h文件中，盡量避免粘貼打斷代碼來湊數，就不貼出來了。簡要概括一下每個結構體的意義。

       Driver --> struct i2c_driver 

          這個結構體對應了驅動方法，重要成員函數有probe，remove，suspend，resume。

          還包括一個重要的數據結構: struct i2c_device_id *id_table; 如果驅動可以支持好幾個設備，那么這里面就要包含這些設備的ID

 

       Client --> struct i2c_client

          應用程序是選擇性失明的，它只能看到抽象的設備文件，其他部分都是看不見的。圖中只有Client與應用程序有聯系，所以我們可以大膽得出結論：這個Client是對應於真實的物理設備，在本文就是at24c08。 所以很顯然這個結構體中的內容應該是描述設備的。包含了芯片地址，設備名稱，設備使用的中斷號，設備所依附的控制器，設備所依附的驅動等內容。

 

       Algorithm -->struct i2c_algorithm

          Algorithm就是算法的意思。在這個結構體中定義了一套控制器使用的通信方法。其中關鍵函數是master_xfer()。我們實際工作中的重要一點就是要實現這個函數。

int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

 

       Adapter --> struct i2c_adapter

           這個結構體對應一個控制器。其中包含了控制器名稱，algorithm數據，控制器設備等。

 

 2). 可以看出，i2c-core起到了關鍵的承上啟下的作用。事實上也是這樣，我們將從這里展開來分析。源代碼位於drivers/i2c/i2c-core.c中。在這個文件中可以看到幾個重要的函數。

   *增加/刪除i2c控制器的函數

 int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter) int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)

  

   *增加/刪除設備驅動的函數int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver) void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)

 

    *增加/刪除i2c設備的函數

struct i2c_client * i2c_new_device(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_board_info const *info); void i2c_unregister_device(struct i2c_client *client)

注：在2.6.30版本之前使用的是i2c_attach_client()和i2c_detach_client()函數。之后attach被merge到了i2c_new_device中，而detach直接被unresister取代。實際上這兩個函數內部都是調用了device_register()和device_unregister()。源碼如下：

    *I2C傳輸、發送和接收函數int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num); 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);

 其中send和receive分別都調用了transfer函數，而transfer也不是直接和硬件交互，而是調用algorithm中的master_xfer()函數，所以我們要想進行數據傳輸，必須自己來實現這個master_xfer()函數，這是總線驅動開發的重點之一。下面以read()系統調用的流程來簡單梳理一下：

 

（待續）