Linux下I2C驱动架构全面分析.docx
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Linux下I2C驱动架构全面分析
Linux下I2C驱动架构全面分析
I2C概述
I2C是philips提出的外设总线.
I2C只有两条线,一条串行数据线:
SDA,一条是时钟线SCL ，使用SCL，SDA这两根信号线就实现了设备之间的数据交互，它方便了工程师的布线。
因此，I2C总线被非常广泛地应用在EEPROM，实时钟，小型LCD等设备与CPU的接口中。
linux下的驱动思路
在linux系统下编写I2C驱动，目前主要有两种方法，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linux下I2C驱动体系结构来完成。
下面比较下这两种方法：
第一种方法：
优点：
思路比较直接，不需要花很多时间去了解linux中复杂的I2C子系统的操作方法。
缺点：
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（I2C控制器）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以移植性差。
对内核的资源无法直接使用，因为内核提供的所有I2C设备器以及设备驱动都是基于I2C子系统的格式。
第一种方法的优点就是第二种方法的缺点，
第一种方法的缺点就是第二种方法的优点。
I2C架构概述
Linux的I2C体系结构分为3个组成部分：
I2C核心：
I2C核心提供了I2C总线驱动和设备驱动的注册，注销方法，I2C通信方法（”algorithm”）上层的，与具体适配器无关的代码以及探测设备，检测设备地址的上层代码等。
I2C总线驱动：
I2C总线驱动是对I2C硬件体系结构中适配器端的实现，适配器可由CPU控制，甚至可以直接集成在CPU内部。
I2C设备驱动：
I2C设备驱动（也称为客户驱动）是对I2C硬件体系结构中设备端的实现，设备一般挂接在受CPU控制的I2C适配器上，通过I2C适配器与CPU交换数据。
linux驱动中i2c驱动架构
上图完整的描述了linuxi2c驱动架构，虽然I2C硬件体系结构比较简单，但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。
那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序？
就是说上述架构中的那些部分需要我们完成，而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的？
架构层次分类
第一层：
提供i2cadapter的硬件驱动，探测、初始化i2cadapter（如申请i2c的io地址和中断号），驱动soc控制的i2cadapter在硬件上产生信号（start、stop、ack）以及处理i2c中断。
覆盖图中的硬件实现层
第二层：
提供i2cadapter的algorithm，用具体适配器的xxx_xferf（）函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针，并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。
覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层
第三层：
实现i2c设备驱动中的i2c_driver接口，用具体的i2cdevice设备的attach_adapter（）、detach_adapter（）方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。
实现设备device与总线（或者叫adapter）的挂接。
覆盖图中的driver驱动层
第四层：
实现i2c设备所对应的具体device的驱动，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接，而挂接在总线上的设备则是千差万别的，所以要实现具体设备device的write（）、read（）、ioctl（）等方法，赋值给file_operations，然后注册字符设备（多数是字符设备）。
覆盖图中的driver驱动层
第一层和第二层又叫i2c总线驱动（bus），第三第四属于i2c设备驱动（devicedriver）。
在linux驱动架构中，几乎不需要驱动开发人员再添加bus，因为linux内核几乎集成所有总线bus，如usb、pci、i2c等等。
并且总线bus中的（与特定硬件相关的代码）已由芯片提供商编写完成，例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c
第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了。
Linux下I2C体系文件构架
在Linux内核源代码中的driver目录下包含一个i2c目录
i2c-core.c这个文件实现了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。
i2c-dev.c实现了I2C适配器设备文件的功能，每一个I2C适配器都被分配一个设备。
通过适配器访设备时的主设备号都为89，次设备号为0-255。
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。
busses文件夹这个文件中包含了一些I2C总线的驱动，如针对S3C2410，S3C2440，S3C6410等处理器的I2C控制器驱动为i2c-s3c2410.c.
algos文件夹实现了一些I2C总线适配器的algorithm.
重要的结构体
i2c_driver
[cpp] viewplaincopy
1.struct i2c_driver {
2.unsigned int class;
3.int （*attach_adapter）（struct i2c_adapter *）;//依附i2c_adapter函数指针
4.int （*detach_adapter）（struct i2c_adapter *）;//脱离i2c_adapter函数指针
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;//该驱动所支持的设备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
[cpp] viewplaincopy
1.struct i2c_client {
2. unsigned short flags；//标志
3. unsigned short addr; //低7位为芯片地址
4. char name[I2C_NAME_SIZE];//设备名称
5. struct i2c_adapter *adapter;//依附的i2c_adapter
6. struct i2c_driver *driver;//依附的i2c_driver
7. struct device dev;//设备结构体
8. int irq;//设备所使用的结构体
9. struct list_head detected;//链表头
10. };
i2c_adapter
[cpp] viewplaincopy
1.struct i2c_adapter {
2. struct module *owner;//所属模块
3. unsigned int id;//algorithm的类型，定义于i2c-id.h,
4. unsigned int class;
5. const struct i2c_algorithm *algo; //总线通信方法结构体指针
6. void *algo_data;//algorithm数据
7. struct rt_mutex bus_lock;//控制并发访问的自旋锁
8. int timeout;
9. int retries;//重试次数
10. struct device dev; //适配器设备
11. int nr;
12. char name[48];//适配器名称
13. struct completion dev_released;//用于同步
14. struct list_head userspace_clients;//client链表头
15.};
i2c_algorithm
[cpp] viewplaincopy
1.struct i2c_algorithm {
2. int （*master_xfer）（struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num）;//I2C传输函数指针
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传输函数指针
5. u32 （*functionality） （struct i2c_adapter *）;//返回适配器支持的功能
6.};
各结构体的作用与它们之间的关系
i2c_adapter与i2c_algorithm
i2c_adapter对应与物理上的一个适配器，而i2c_algorithm对应一套通信方法，一个i2c适配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下层与硬件相关的代码提供）通信函数来控制适配器上产生特定的访问周期。
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的指针。
i2c_algorithm中的关键函数master_xfer（）用于产生i2c访问周期需要的startstopack信号，以i2c_msg（即i2c消息）为单位发送和接收通信数据。
i2c_msg也非常关键，调用驱动中的发送接收函数需要填充该结构体
[cpp] viewplaincopy
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对应一套驱动方法，其主要函数是attach_adapter（）和detach_client（）
i2c_client对应真实的i2c物理设备device，每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述
i2c_driver与i2c_client的关系是一对多。
一个i2c_driver上可以支持多个同等类型的i2c_client.
i2c_adapter和i2c_client
i2c_adapter和i2c_client的关系与i2c硬件体系中适配器和设备的关系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一个适配器上可以连接多个i2c设备，所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的链表。
从i2c驱动架构图中可以看出，linux内核对i2c架构抽象了一个叫核心层core的中间件，它分离了设备驱动devicedriver和硬件控制的实现细节（如操作i2c的寄存器），core层不但为上面的设备驱动提供封装后的内核注册函数，而且还为小面的硬件事件提供注册接口（也就是i2c总线注册接口），可以说core层起到了承上启下的作用。
具体分析
先看一下i2c-core为外部提供的核心函数（选取部分），i2c-core对应的源文件为i2c-core.c，位于内核目录/driver/i2c/i2c-core.c
[cpp] viewplaincopy
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（）函数：
i2c_transfer（）函数本身并不具备驱动适配器物理硬件完成消息交互的能力，它只是寻找到i2c_adapter对应的i2c_algorithm，并使用i2c_algorithm的master_xfer（）函数真正的驱动硬件流程，代码清单如下，不重要的已删除。
[cpp] viewplaincopy
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函数存在，则调用，否则返回错误
5. ret = adap->algo->master_xfer（adap,msgs,num）;//这个函数在硬件相关的代码中给algorithm赋值
6. return ret;
7. } else {
8. return -ENOSYS;
9. }
10.}
当一个具体的client被侦测到并被关联的时候，设备和sysfs文件将被注册。
相反的，在client被取消关联的时候，sysfs文件和设备也被注销，驱动开发人员在开发i2c设备驱动时，需要调用下列函数。
程序清单如下
[cpp] viewplaincopy
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.[cpp] view plaincopy
12.int i2c_detach_client（struct i2c_client *client）
13.{
14. ...
15. device_remove_file（&client->dev, &dev_attr_client_name）;
16. device_unregister（&client->dev）;
17. ...
18. return res;
19.}
i2c_add_adapter（）函数和i2c_del_adapter（）在i2c-davinci.c中有调用，稍后分析
[cpp] viewplaincopy
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是实现与硬件相关功能的代码集合，这部分是与平台相关的，也叫做i2c总线驱动，这部分代码是这样添加到系统中的
[cpp] viewplaincopy
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）;
并且，i2c适配器控制硬件发送接收数据的函数在这里赋值给i2c-algorithm，i2c_davinci_xfer稍加修改就可以在裸机中控制i2c适配器
[cpp] viewplaincopy
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函数中，将i2c_davinci_algo添加到添加到algorithm系统中
[cpp] viewpl
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