实例解析linux内核I2C体系结构课件.docx
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实例解析linux内核I2C体系结构课件
实例解析linux内核I2C体系结构
作者：
刘洪涛,华清远见嵌入式学院讲师。
一、概述
谈到在linux系统下编写I2C驱动，目前主要有两种方式，一种是把I2C设备当作一个普通的字符设备来处理，另一种是利用linuxI2C驱动体系结构来完成。
下面比较下这两种驱动。
第一种方法的好处（对应第二种方法的劣势）有：
● 思路比较直接，不需要花时间去了解linux内核中复杂的I2C子系统的操作方法。
第一种方法问题（对应第二种方法的好处）有：
● 要求工程师不仅要对I2C设备的操作熟悉，而且要熟悉I2C的适配器操作；
● 要求工程师对I2C的设备器及I2C的设备操作方法都比较熟悉，最重要的是写出的程序可移植性差；
● 对内核的资源无法直接使用。
因为内核提供的所有I2C设备器及设备驱动都是基于I2C子系统的格式。
I2C适配器的操作简单还好，如果遇到复杂的I2C适配器（如：
基于PCI的I2C适配器），工作量就会大很多。
本文针对的对象是熟悉I2C协议，并且想使用linux内核子系统的开发人员。
网络和一些书籍上有介绍I2C子系统的源码结构。
但发现很多开发人员看了这些文章后，还是不清楚自己究竟该做些什么。
究其原因还是没弄清楚I2C子系统为我们做了些什么，以及我们怎样利用I2C子系统。
本文首先要解决是如何利用现有内核支持的I2C适配器，完成对I2C设备的操作，然后再过度到适配器代码的编写。
本文主要从解决问题的角度去写，不会涉及特别详细的代码跟踪。
二、I2C设备驱动程序编写
首先要明确适配器驱动的作用是让我们能够通过它发出符合I2C标准协议的时序。
在Linux内核源代码中的drivers/i2c/busses目录下包含着一些适配器的驱动。
如S3C2410的驱动i2c-s3c2410.c。
当适配器加载到内核后，接下来的工作就要针对具体的设备编写设备驱动了。
编写I2C设备驱动也有两种方法。
一种是利用系统给我们提供的i2c-dev.c来实现一个i2c适配器的设备文件。
然后通过在应用层操作i2c适配器来控制i2c设备。
另一种是为i2c设备，独立编写一个设备驱动。
注意：
在后一种情况下，是不需要使用i2c-dev.c的。
1、利用i2c-dev.c操作适配器，进而控制i2c设备
i2c-dev.c并没有针对特定的设备而设计，只是提供了通用的read（）、write（）和ioctl（）等接口，应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的i2c设备的存储空间或寄存器，并控制I2C设备的工作方式。
需要特别注意的是：
i2c-dev.c的read（）、write（）方法都只适合于如下方式的数据格式（可查看内核相关源码）
图1单开始信号时序
所以不具有太强的通用性，如下面这种情况就不适用（通常出现在读目标时）。
图2多开始信号时序
而且read（）、write（）方法只适用用于适配器支持i2c算法的情况，如：
staticconststructi2c_algorithms3c24xx_i2c_algorithm={
.master_xfer=s3c24xx_i2c_xfer,
.functionality=s3c24xx_i2c_func,
};
而不适合适配器只支持smbus算法的情况，如：
staticconststructi2c_algorithmsmbus_algorithm={
.smbus_xfer=i801_access,
.functionality=i801_func,
};
基于上面几个原因，所以一般都不会使用i2c-dev.c的read（）、write（）方法。
最常用的是ioctl（）方法。
ioctl（）方法可以实现上面所有的情况（两种数据格式、以及I2C算法和smbus算法）。
针对i2c的算法，需要熟悉structi2c_rdwr_ioctl_data、structi2c_msg。
使用的命令是I2C_RDWR。
structi2c_rdwr_ioctl_data{
structi2c_msg__user*msgs;
__u32nmsgs;
};
structi2c_msg{
__u16addr;
__u16flags;
__u16len;
__u8*buf;
};
针对smbus算法，需要熟悉structi2c_smbus_ioctl_data。
使用的命令是I2C_SMBUS。
对于smbus算法，不需要考虑“多开始信号时序”问题。
structi2c_smbus_ioctl_data{
__u8read_write;//读、写
__u8command;//命令
__u32size;//数据长度标识
unioni2c_smbus_data__user*data;//数据
};
下面以一个实例讲解操作的具体过程。
通过S3C2410操作AT24C02e2prom。
实现在AT24C02中任意位置的读、写功能。
首先在内核中已经包含了对s3c2410中的i2c控制器驱动的支持。
提供了i2c算法（非smbus类型的，所以后面的ioctl的命令是I2C_RDWR）
staticconststructi2c_algorithms3c24xx_i2c_algorithm={
.master_xfer=s3c24xx_i2c_xfer,
.functionality=s3c24xx_i2c_func,
};
另外一方面需要确定为了实现对AT24C02e2prom的操作，需要确定AT24C02的地址及读写访问时序。
● AT24C02地址的确定
原理图上将A2、A1、A0都接地了，所以地址是0x50。
● AT24C02任意地址字节写的时序
可见此时序符合前面提到的“单开始信号时序”
● AT24C02任意地址字节读的时序
可见此时序符合前面提到的“多开始信号时序”
下面开始具体代码的分析（代码在2.6.22内核上测试通过）：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineI2C_RETRIES0x0701
#defineI2C_TIMEOUT0x0702
#defineI2C_RDWR0x0707
structi2c_msg{
unsignedshortaddr;
unsignedshortflags;
#defineI2C_M_TEN0x0010
#defineI2C_M_RD0x0001
unsignedshortlen;
unsignedchar*buf;
};
structi2c_rdwr_ioctl_data
{
structi2c_msg*msgs;
intnmsgs;
};
intmain（）
{
intfd,ret;
structi2c_rdwr_ioctl_datae2prom_data;
fd=open（"/dev/i2c-0",O_RDWR）;
dev/i2c-0是在注册i2c-dev.c后产生的，代表一个可操作的适配器。
如果不使用i2c-dev.c
*的方式，就没有，也不需要这个节点。
*/
if（fd<0）
{
perror（"openerror"）;
}
e2prom_data.nmsgs=2;
e2prom_data.msgs=（structi2c_msg*）malloc（e2prom_data.nmsgs*sizeof（structi2c_msg））;
if（!
e2prom_data.msgs）
{
perror（"mallocerror"）;
exit
（1）;
}
ioctl（fd,I2C_TIMEOUT,1）;
ioctl（fd,I2C_RETRIES,2）;
e2prom_data.nmsgs=1;
（e2prom_data.msgs[0]）.len=2;//1个e2prom写入目标的地址和1个数据
（e2prom_data.msgs[0]）.addr=0x50;//e2prom设备地址
（e2prom_data.msgs[0]）.flags=0;//write
（e2prom_data.msgs[0]）.buf=（unsignedchar*）malloc
（2）;
（e2prom_data.msgs[0]）.buf[0]=0x10;//e2prom写入目标的地址
（e2prom_data.msgs[0]）.buf[1]=0x58;//thedatatowrite
ret=ioctl（fd,I2C_RDWR,（unsignedlong）&e2prom_data）;
if（ret<0）
{
perror（"ioctlerror1"）;
}
sleep
（1）;
e2prom_data.nmsgs=2;
（e2prom_data.msgs[0]）.len=1;//e2prom目标数据的地址
（e2prom_data.msgs[0]）.addr=0x50;//e2prom设备地址
（e2prom_data.msgs[0]）.flags=0;//write
（e2prom_data.msgs[0]）.buf[0]=0x10;//e2prom数据地址
（e2prom_data.msgs[1]）.len=1;//读出的数据
（e2prom_data.msgs[1]）.addr=0x50;//e2prom设备地址
（e2prom_data.msgs[1]）.flags=I2C_M_RD;//read
（e2prom_data.msgs[1]）.buf=（unsignedchar*）malloc
（1）;//存放返回值的地址。
（e2prom_data.msgs[1]）.buf[0]=0;//初始化读缓冲
ret=ioctl（fd,I2C_RDWR,（unsignedlong）&e2prom_data）;
if（ret<0）
{
perror（"ioctlerror2"）;
}
printf（"buff[0]=%x\n",（e2prom_data.msgs[1]）.buf[0]）;
close（fd）;
return0;
}
以上讲述了一种比较常用的利用i2c-dev.c操作i2c设备的方法，这种方法可以说是在应用层完成了对具体i2c设备的驱动工作。
计划下一篇总结以下几点：
（1）在内核里写i2c设备驱动的两种方式：
● Probe方式（newstyle），如：
staticstructi2c_driverpca953x_driver={
.driver={
.name="pca953x",
},
.probe=pca953x_probe,
.remove=pca953x_remove,
.id_table=pca953x_id,
};
● Adapter方式（LEGACY），如：
staticstructi2c_driverpcf8575_driver={
.driver={
.owner=THIS_MODULE,
.name="pcf8575",
},
.attach_adapter=pcf8575_attach_adapter,
.detach_client=pcf8575_detach_client,
};
（2）适配器驱动编写方法
（3）分享一些项目中遇到的问题
希望大家多提意见，多多交流。
2.LinuxI2C结构分析
2.1层次分析
1.I2CCore
I2CCore用于维护Linux的I2C核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2Cdriver结构和I2Cadapter结构。
staticLIST_HEAD（adapters）;
staticLIST_HEAD（drivers）;
I2Ccore提供接口函数，允许一个I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化时在I2Ccore中进行注册，以及退出时进行注销。
具体可以参见i2c_core.c代码。
同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口（具体的实现在与I2C控制器相关的I2Cadapter中实现），主要应用在I2C设备驱动中。
常用的主要是
i2c_master_send（）
i2c_master_recv（）
i2c_transfer（）
2.I2Cbusdriver
总线驱动的职责，是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。
但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯，它只是存在在那里，等待设备驱动调用其函数。
在系统开机时，首先装载的是I2C总线驱动。
一个总线驱动用于支持一条特定的I2C总线的读写。
一个总线驱动通常需要两个模块，一个structi2c_adapter和一个structi2c_algorithm来描述：
在buses目录下的i2c-pxa.c中实现了PXA的I2C总线适配器，I2Cadapter构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，并通过接口函数向I2Ccore注册一个控制器。
I2Cadapter主要实现对I2C总线访问的算法，iic_xfer（）函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。
同时I2Cadpter中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。
1）i2c-pxa.c定义了i2c_algorithm，并且实现了master的发送函数i2c_pxa_xfer（），以及设备查询总线的模式的函数i2c_pxa_functionality（）
staticconststructi2c_algorithmi2c_pxa_algorithm={
.master_xfer=i2c_pxa_xfer,
.functionality=i2c_pxa_functionality,
};
2）i2c-pxa.c中，实现了i2c_adapter，主要是在定义pxa-i2c时进行初始化，并且i2c_pxa_probe（）中进行填充parent指针，并且调用ret=i2c_add_adapter（&i2c->adap）;进行添加。
staticstructpxa_i2ci2c_pxa={
.lock=SPIN_LOCK_UNLOCKED,
.adap={
.owner =THIS_MODULE,
.algo =&i2c_pxa_algorithm,
.name ="pxa2xx-i2c.0",
.retries=5,
},
};
总的来说，在i2c-pxa中，使用platform驱动模型，完成了i2c的总线两种模块structi2c_adapter和structi2c_algorithm
3.I2Cdevicedriver
I2C只有总线驱动是不够的，必须有设备才能工作。
这就是I2Cdevicedriver的必要性。
I2C的device是有两个模块来描述的，structi2c_driver和structi2c_client。
在介绍chips目录下的devicedriver前有必要介绍一下i2c-dev.c文件。
i2c-dev.c中提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过I2Cadapter来实现的。
构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，通过接口函数向I2CCore注册一个I2C设备驱动。
同时构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。
staticstructi2c_driveri2cdev_driver={
.driver={
.name="dev_driver",
},
.id =I2C_DRIVERID_I2CDEV,
.attach_adapter=i2cdev_attach_adapter,
.detach_adapter=i2cdev_detach_adapter,
.detach_client=i2cdev_detach_client,
};
structi2c_dev{
structlist_headlist;
structi2c_adapter*adap;
structdevice*dev;
};
该文件提供了用户层对I2C设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，我们可以通过open函数打开I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过read和write函数完成对I2C设备的读写操作。
staticconststructfile_operationsi2cdev_fops={
.owner =THIS_MODULE,
.llseek =no_llseek,
.read =i2cdev_read,
.write =i2cdev_write,
.ioctl =i2cdev_ioctl,
.open =i2cdev_open,
.release=i2cdev_release,
};
注：
通过I2Cdriver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。
为了更方便和有效地使用I2C设备，我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。
在chips目录下包含着各种device的driver，完成各种从设备的注册。
作为一般的I2C设备，使用i2c-dev.c里的操作足够完成操作了。
当然如果不能完成，则需要独立完成该驱动，这就是chips目录下的代码。
因为i2c-dev.c已经实现了I2C设备的文件操作接口，所以只要实现structi2c_driver就可以了。
对于某些特殊的操作，可以使用command接口进行控制。
当然，对于i2接口的fm芯片，则将structi2c_driver放在i2c的chips目录
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