[I2C]I2C架構分析

本文轉載自查看原文 2016-12-16 10:22 1476 [1.0].Linux 內核和驅動

轉自：http://blog.csdn.net/wangpengqi/article/details/17711165

1. I2C 概述

　　I2C是philips提出的外設總線.

　　I2C只有兩條線,一條串行數據線:SDA,一條是時鍾線SCL ，使用SCL，SDA這兩根信號線就實現了設備之間的數據交互，它方便了工程師的布線。

　　因此，I2C總線被非常廣泛地應用在EEPROM，實時鍾，小型LCD等設備與CPU的接口中。

2. linux下的驅動思路

　　在linux系統下編寫I2C驅動，目前主要有兩種方法，一種是把I2C設備當作一個普通的字符設備來處理，另一種是利用linux下I2C驅動體系結構來完成。下面比較下這兩種方法：
　　第一種方法：
　　　　優點：思路比較直接，不需要花很多時間去了解linux中復雜的I2C子系統的操作方法。
　　　　缺點：
   　　要求工程師不僅要對I2C設備的操作熟悉，而且要熟悉I2C的適配器(I2C控制器)操作。
   　　要求工程師對I2C的設備器及I2C的設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。
   　　對內核的資源無法直接使用，因為內核提供的所有I2C設備器以及設備驅動都是基於I2C子系統的格式。

　　第一種方法的優點就是第二種方法的缺點，
　　第一種方法的缺點就是第二種方法的優點。

3. I2C架構概述

　　Linux的I2C體系結構分為 3個組成部分：

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

　　I2C總線驅動：I2C總線驅動是對I2C硬件體系結構中適配器端的實現，適配器可由CPU控制，甚至可以直接集成在CPU內部。

　　I2C設備驅動：I2C設備驅動(也稱為客戶驅動)是對I2C硬件體系結構中設備端的實現，設備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過I2C適配器與CPU交換數據。

4. linux驅動中i2c驅動架構

　　上圖完整的描述了linux i2c驅動架構，雖然I2C硬件體系結構比較簡單，但是i2c體系結構在linux中的實現卻相當復雜。

　　那么我們如何編寫特定i2c接口器件的驅動程序？就是說上述架構中的那些部分需要我們完成，而哪些是linux內核已經完善的或者是芯片提供商已經提供的？

5. 架構層次分類

　　第一層：提供i2c adapter的硬件驅動，探測、初始化i2c adapter（如申請i2c的io地址和中斷號），驅動soc控制的i2c adapter在硬件上產生信號（start、stop、ack）以及處理i2c中斷。覆蓋圖中的硬件實現層

　　第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xferf()函數來填充i2c_algorithm的master_xfer函數指針，並把賦值后的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：實現i2c設備驅動中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設備的attach_adapter()、detach_adapter()方法賦值給i2c_driver的成員函數指針。實現設備device與總線（或者叫adapter）的掛接。覆蓋圖中的driver驅動層

　　第四層：實現i2c設備所對應的具體device的驅動，i2c_driver只是實現設備與總線的掛接，而掛接在總線上的設備則是千差萬別的，所以要實現具體設備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設備（多數是字符設備）。覆蓋圖中的driver驅動層

　　第一層和第二層又叫i2c總線驅動(bus)，第三第四屬於i2c設備驅動(device driver)。

　　在linux驅動架構中，幾乎不需要驅動開發人員再添加bus，因為linux內核幾乎集成所有總線bus，如usb、pci、i2c等等。並且總線bus中的(與特定硬件相關的代碼)已由芯片提供商編寫完成，例如三星的s3c-2440平台i2c總線bus為/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

　　第三第四層與特定device相干的就需要驅動工程師來實現了。[總線驅動由芯片廠商已經提供，只有slave_device需要developer實現]

6. Linux下I2C體系文件構架

　　在Linux內核源代碼中的driver目錄下包含一個i2c目錄

　　i2c-core.c這個文件實現了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。
　 i2c-dev.c實現了I2C適配器設備文件的功能，每一個I2C適配器都被分配一個設備。通過適配器訪設備時的主設備號都為89，次設備號為0-255。I2c-dev.c並沒有針對特定的設備而設計，只是提供了通用的read(),write(),和ioctl()等接口，應用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C設備的存儲空間或寄存器，並控制I2C設備的工作方式。
　　busses文件夾這個文件中包含了一些I2C總線的驅動，如針對S3C2410，S3C2440，S3C6410等處理器的I2C控制器驅動為i2c-s3c2410.c.
　　algos文件夾實現了一些I2C總線適配器的algorithm.

7. 重要的結構體

i2c_driver

 1 struct i2c_driver {  
 2 unsigned int class;  
 3 int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);//依附i2c_adapter函數指針  
 4 int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);//脫離i2c_adapter函數指針  
 5 int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);  
 6 int (*remove)(struct i2c_client *);  
 7 void (*shutdown)(struct i2c_client *);  
 8 int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg);  
 9 int (*resume)(struct i2c_client *);  
10 void (*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data);  
11 int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void*arg);//命令列表  
12 struct device_driver driver;  
13 const struct i2c_device_id *id_table;//該驅動所支持的設備ID表  
14 int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);  
15 const unsigned short *address_list;  
16 struct list_head clients;  
17 };

i2c_client

 1 struct i2c_client {  
 2  unsigned short flags；//標志    
 3  unsigned short addr; //低7位為芯片地址    
 4  char name[I2C_NAME_SIZE];//設備名稱  
 5  struct i2c_adapter *adapter;//依附的i2c_adapter  
 6  struct i2c_driver *driver;//依附的i2c_driver   
 7  struct device dev;//設備結構體    
 8  int irq;//設備所使用的結構體    
 9  struct list_head detected;//鏈表頭  
10  };

i2c_adapter

 1 struct i2c_adapter {  
 2  struct module *owner;//所屬模塊  
 3  unsigned int id;//algorithm的類型，定義於i2c-id.h,  
 4  unsigned int class;      
 5  const struct i2c_algorithm *algo; //總線通信方法結構體指針  
 6  void *algo_data;//algorithm數據  
 7  struct rt_mutex bus_lock;//控制並發訪問的自旋鎖  
 8  int timeout;     
 9  int retries;//重試次數  
10  struct device dev; //適配器設備   
11  int nr;  
12  char name[48];//適配器名稱  
13  struct completion dev_released;//用於同步  
14  struct list_head userspace_clients;//client鏈表頭  
15 };

i2c_algorithm

1 struct i2c_algorithm {  
2     int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);//I2C傳輸函數指針  
3     int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,unsigned short flags, char read_write,u8 command, int size, union   
4     i2c_smbus_data *data);//smbus傳輸函數指針  
5     u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);//返回適配器支持的功能  
6 };

8. 各結構體的作用與它們之間的關系

i2c_adapter與i2c_algorithm

　　i2c_adapter對應與物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應一套通信方法，一個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的代碼提供）通信函數來控制適配器上產生特定的訪問周期。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中的關鍵函數master_xfer()用於產生i2c訪問周期需要的start stop ack信號，以i2c_msg（即i2c消息）為單位發送和接收通信數據。

　　i2c_msg也非常關鍵，調用驅動中的發送接收函數需要填充該結構體

1 struct i2c_msg {    
2     __u16 addr; /* slave address            */    
3      __u16 flags;            
4     __u16 len;      /* msg length               */    
5     __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */    
6 };

i2c_driver和i2c_client

　　i2c_driver對應一套驅動方法，其主要函數是attach_adapter()和detach_client()

　　i2c_client對應真實的i2c物理設備device，每個i2c設備都需要一個i2c_client來描述

　　i2c_driver與i2c_client的關系是一對多。一個i2c_driver上可以支持多個同等類型的i2c_client.

i2c_adapter和i2c_client

　　i2c_adapter和i2c_client的關系與i2c硬件體系中適配器和設備的關系一致，即i2c_client依附於i2c_adapter,由於一個適配器上可以連接多個i2c設備，所以i2c_adapter中包含依附於它的i2c_client的鏈表。　　

　　從i2c驅動架構圖中可以看出，linux內核對i2c架構抽象了一個叫核心層core的中間件，它分離了設備驅動device driver和硬件控制的實現細節（如操作i2c的寄存器），core層不但為上面的設備驅動提供封裝后的內核注冊函數，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。

9. 具體分析

　　先看一下i2c-core為外部提供的核心函數（選取部分），i2c-core對應的源文件為i2c-core.c，位於內核目錄/driver/i2c/i2c-core.c

1 EXPORT_SYMBOL(i2c_add_adapter);    
2 EXPORT_SYMBOL(i2c_del_adapter);    
3 EXPORT_SYMBOL(i2c_del_driver);    
4 EXPORT_SYMBOL(i2c_attach_client);    
5 EXPORT_SYMBOL(i2c_detach_client);    
6     
7 EXPORT_SYMBOL(i2c_transfer);

　　i2c_transfer()函數：i2c_transfer()函數本身並不具備驅動適配器物理硬件完成消息交互的能力，它只是尋找到i2c_adapter對應的i2c_algorithm，並使用i2c_algorithm的master_xfer()函數真正的驅動硬件流程，代碼清單如下，不重要的已刪除。

 1 int i2c_transfer(struct i2c_adapter * adap, struct i2c_msg *msgs, int num)    
 2 {    
 3     int ret;    
 4     if (adap->algo->master_xfer) {//如果master_xfer函數存在，則調用，否則返回錯誤    
 5         ret = adap->algo->master_xfer(adap,msgs,num);//這個函數在硬件相關的代碼中給algorithm賦值    
 6         return ret;    
 7     } else {    
 8         return -ENOSYS;    
 9     }    
10 }

當一個具體的client被偵測到並被關聯的時候，設備和sysfs文件將被注冊。

　　相反的，在client被取消關聯的時候，sysfs文件和設備也被注銷，驅動開發人員在開發i2c設備驅動時，需要調用下列函數。程序清單如下

 1 int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)    
 2 {    
 3     ...    
 4     device_register(&client->dev);    
 5     device_create_file(&client->dev, &dev_attr_client_name);    
 6     ...    
 7     return 0;    
 8 }    
 9   
10 
11 int i2c_detach_client(struct i2c_client *client)    
12 {    
13     ...    
14     device_remove_file(&client->dev, &dev_attr_client_name);    
15     device_unregister(&client->dev);    
16     ...    
17     return res;    
18 }

　　i2c_add_adapter()函數和i2c_del_adapter()在i2c-davinci.c中有調用，稍后分析

 1 int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adap)    
 2 {    
 3     ...    
 4     device_register(&adap->dev);    
 5     device_create_file(&adap->dev, &dev_attr_name);    
 6     ...    
 7     /* inform drivers of new adapters */    
 8     list_for_each(item,&drivers) {    
 9         driver = list_entry(item, struct i2c_driver, list);    
10         if (driver->attach_adapter)    
11             /* We ignore the return code; if it fails, too bad */    
12             driver->attach_adapter(adap);    
13     }    
14     ...    
15 }    
16   
17   
18   
19 int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)    
20 {    
21     ...    
22     list_for_each(item,&drivers) {    
23         driver = list_entry(item, struct i2c_driver, list);    
24         if (driver->detach_adapter)    
25             if ((res = driver->detach_adapter(adap))) {    
26             }    
27     }    
28     ...    
29     list_for_each_safe(item, _n, &adap->clients) {    
30         client = list_entry(item, struct i2c_client, list);    
31     
32         if ((res=client->driver->detach_client(client))) {    
33     
34         }    
35     }    
36     ...    
37     device_remove_file(&adap->dev, &dev_attr_name);    
38     device_unregister(&adap->dev);    
39     
40 }

　　i2c-davinci.c是實現與硬件相關功能的代碼集合，這部分是與平台相關的，也叫做i2c總線驅動，這部分代碼是這樣添加到系統中的

 1 static struct platform_driver davinci_i2c_driver = {    
 2     .probe      = davinci_i2c_probe,    
 3     .remove     = davinci_i2c_remove,    
 4     .driver     = {    
 5         .name   = "i2c_davinci",    
 6         .owner  = THIS_MODULE,    
 7     },    
 8 };    
 9     
10 /* I2C may be needed to bring up other drivers */    
11 static int __init davinci_i2c_init_driver(void)    
12 {    
13     return platform_driver_register(&davinci_i2c_driver);    
14 }    
15 subsys_initcall(davinci_i2c_init_driver);    
16     
17 static void __exit davinci_i2c_exit_driver(void)    
18 {    
19     platform_driver_unregister(&davinci_i2c_driver);    
20 }    
21 module_exit(davinci_i2c_exit_driver);

　　並且，i2c適配器控制硬件發送接收數據的函數在這里賦值給i2c-algorithm，i2c_davinci_xfer稍加修改就可以在裸機中控制i2c適配器

1 static struct i2c_algorithm i2c_davinci_algo = {    
2     .master_xfer    = i2c_davinci_xfer,    
3     .functionality  = i2c_davinci_func,    
4 };

　　然后在davinci_i2c_probe函數中，將i2c_davinci_algo添加到添加到algorithm系統中

1 adap->algo = &i2c_davinci_algo;

10. 適配器驅動程序分析

　　在linux系統中，適配器驅動位於linux目錄下的\drivers\i2c\busses下，不同的處理器的適配器驅動程序設計有差異，但是總體思路不變。

　　在適配器的驅動中，實現兩個結構體非常關鍵，也是整個適配器驅動的靈魂。

　　下面以某個適配器的驅動程序為例進行說明：

 1 static struct platform_driver tcc_i2c_driver = {  
 2  .probe   = tcc_i2c_probe,  
 3  .remove   = tcc_i2c_remove,  
 4  .suspend  = tcc_i2c_suspend_late,  
 5  .resume   = tcc_i2c_resume_early,  
 6  .driver   = {  
 7   .owner  = THIS_MODULE,  
 8   .name  = "tcc-i2c",  
 9  },  
10 };

　　以上說明這個驅動是基於平台總線的，這樣實現的目的是與CPU緊緊聯系起來。

1 static const struct i2c_algorithm tcc_i2c_algorithm = {  
2     .master_xfer = tcc_i2c_xfer,  
3     .functionality = tcc_i2c_func,  
4 };

　　這個結構體也是非常的關鍵，這個結構體里面的函數tcc_i2c_xfer是適配器算法的實現，這個函數實現了適配器與I2C CORE的連接。

　　tcc_i2c_func是指該適配器所支持的功能。

　　tcc_i2c_xfer這個函數實質是實現I2C數據的發送與接收的處理過程。不同的處理器實現的方法不同，主要表現在寄存器的設置與中斷的處理方法上。

　　把握上面的兩點去分析適配器程序就簡單多了。

11. I2C-core驅動程序分析

　　在I2C-core.c這個函數中，把握下面的幾個關鍵函數就可以了。

 1 //增加/刪除i2c_adapter  
 2 int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)  
 3 int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)  
 4   
 5 //增加/刪除i2c_driver  
 6 int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)  
 7 void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)  
 8   
 9 //i2c_client依附/脫離  
10 int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)  
11   
12 //增加/刪除i2c_driver  
13 int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)  
14 void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)  
15   
16 //i2c_client依附/脫離  
17 int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)  
18 int i2c_detach_client(struct i2c_client *client)  
19   
20 //I2C傳輸,發送和接收  
21 int i2c_master_send(struct i2c_client *client,const char *buf ,int count)  
22 int i2c_master_recv(struct i2c_client *client, char *buf ,int count)  
23 int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)

　　I2c_transfer這個函數實現了core與adapter的聯系。

12. 代碼調用層次圖

　　有時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。這個時候，需要一幅圖來梳理一下上面的內容

　　上面這些代碼的展示是告訴我們：linux內核和芯片提供商為我們的的驅動程序提供了 i2c驅動的框架，以及框架底層與硬件相關的代碼的實現。

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

13. 編寫驅動需要完成的工作

　　 編寫具體的I2C驅動時，工程師需要處理的主要工作如下：

　　1).提供I2C適配器的硬件驅動，探測，初始化I2C適配器(如申請I2C的I/O地址和中斷號)，驅動CPU控制的I2C適配器從硬件上產生。

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

　　3).實現I2C設備驅動中的i2c_driver接口，用具體yyy的yyy_probe()，yyy_remove()，yyy_suspend(),yyy_resume()函數指針和i2c_device_id設備ID表賦給i2c_driver的probe,remove,suspend,resume和id_table指針。

　　4).實現I2C設備所對應類型的具體驅動，i2c_driver只是實現設備與總線的掛接。

　　上面的工作中前兩個屬於I2C總線驅動，后面兩個屬於I2C設備驅動。

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