linux设备驱动那点事儿之I2C驱动理论篇 (2011-08-01 21:31)
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linux设备驱动程序分析
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。
二：在linux下的驱动思路
谈到在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。
第一种方法的缺点：
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。
第一种方法的缺点就是第二种方法的优点。
三.I2C架构概述
1.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。
2.Linux I2C体系结构
Linux I2C体系结构如下图所示
四. 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drivers/i2c/busses目录下包含着一些适配器的驱动。如S3C2440的驱动i2c-s3c2410.c。适配器加载到内核后，接下来的工作就是要针对具体的设备编写驱动了。
在linux内核源代码中drivers/i2c/busses目录下包含着一些适配器的驱动。如S3C2440的驱动i2c-s3c2410.c。适配器加载到内核后，接下来的工作就是要针对具体的设备编写驱动了。
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：在后面一种情况下，是不需要使用i2c-dev.c的。
五: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，而在i2c目录下又包含如下文件和文件夹：
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。
Chips这个目录包含了一些特定的I2C设备驱动。在具体的I2C设备驱动中，调用的都是I2C核心提供的API，因此，这使得具体的I2C设备驱动不依赖于CPU的类型和I2C适配器的硬件特性。
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.
六:重要的结构体
1.各个结构体
在内核中的i2c.h这个头文件中对i2c_driver,i2c_client,i2c_adapter和i2c_algorithm这个四个结构体进行了定义。理解这4个结构体的作用十分关键。
i2c_adapter结构体
struct i2c_adapter {
struct module *owner;//所属模块
unsigned int id;//algorithm的类型，定义于i2c-id.h,
unsigned int class;
const struct i2c_algorithm *algo; //总线通信方法结构体指针
void *algo_data;//algorithm数据
struct rt_mutex bus_lock;//控制并发访问的自旋锁
int timeout;
int retries;//重试次数
struct device dev; //适配器设备
int nr;
char name[48];//适配器名称
struct completion dev_released;//用于同步
struct list_head userspace_clients;//client链表头
};
I2c_algorithm结构体
struct i2c_algorithm {
int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);//I2C传输函数指针
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传输函数指针
u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);//返回适配器支持的功能
};
SMbus大部分基于I2C总线规范，SMbus不需要增加额外引脚。与I2C总线相比,SMbus增加了一些新的功能特性，在访问时序也有
一定的差异。
i2c_driver结构体
struct i2c_driver {
unsigned int class;
int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);//依附i2c_adapter函数指针
int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);//脱离i2c_adapter函数指针
struct i2c_algorithm {
int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);//I2C传输函数指针
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传输函数指针
u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);//返回适配器支持的功能
};
SMbus大部分基于I2C总线规范，SMbus不需要增加额外引脚。与I2C总线相比,SMbus增加了一些新的功能特性，在访问时序也有
一定的差异。
i2c_driver结构体
struct i2c_driver {
unsigned int class;
int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);//依附i2c_adapter函数指针
int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);//脱离i2c_adapter函数指针
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;//该驱动所支持的设备ID表
int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);
const unsigned short *address_list;
struct list_head clients;
};
i2c_client结构体
struct i2c_client {
unsigned short flags；//标志
unsigned short addr; //低7位为芯片地址
char name[I2C_NAME_SIZE];//设备名称
struct i2c_adapter *adapter;//依附的i2c_adapter
struct i2c_driver *driver;//依附的i2c_driver
struct device dev;//设备结构体
int irq;//设备所使用的结构体
struct list_head detected;//链表头
};
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;//该驱动所支持的设备ID表
int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);
const unsigned short *address_list;
struct list_head clients;
};
i2c_client结构体
struct i2c_client {
unsigned short flags；//标志
unsigned short addr; //低7位为芯片地址
char name[I2C_NAME_SIZE];//设备名称
struct i2c_adapter *adapter;//依附的i2c_adapter
struct i2c_driver *driver;//依附的i2c_driver
struct device dev;//设备结构体
int irq;//设备所使用的结构体
struct list_head detected;//链表头
};
2:各结构体的作用与它们之间的关系
i2c_adapter对应于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中包含其使用的i2c_algorithm的指针。i2c_algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生I2C访问周期需要的信号，以i2c_msg(即I2C消息)为单位。i2c_msg也很重要，代码清单如下：
struct i2c_msg {
__u16 addr;//设备地址
__u16 flags;//标志
__u16 len;//消息长度
__u8 *buf;//消息数据
};
i2c_driver与i2c_clienti2c_driver对应一套驱动方法，其主要成员函数是probe(),remove(),suspend(),resume()等，另外id_table是该驱动所支持的I2C设备的ID表。i2c_client对应于真实的物理设备，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_client信息通常在BSP的板文件中通过i2c_board_info填充。一般在arch/arm目录下的板文件中。在I2C总线驱动i2c_bus_type的match()函数i2c_device_match()中，会调用i2c_match_id()函数匹配板文件中的ID和i2c_driver所支持的ID表。
i2c_adpater与i2c_client i2c_adpater与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依附与i2c_adpater.由于一个适配器上可以连接多个I2C设备，所以就一个i2c_adpter也可以被多个i2c_client依附，i2c_adpter中包括依附与它的i2c_client的链表。
3.编写驱动需要完成的工作
编写具体的I2C驱动时，工程师需要处理的主要工作如下：
1).提供I2C适配器的硬件驱动，探测，初始化I2C适配器(如申请I2C的I/O地址和中断号)，驱动CPU控制的I2C适配器从硬件上产生。
2).提供I2C控制的algorithm, 用具体适配器的xxx_xfer()函数填充i2c_algorithm的master_xfer指针，并把i2c_algorithm指针赋给i2c_adapter的algo指针。
3).实现I2C设备驱动中的i2c_driver接口，用具体yyy的yyy_probe()，
yyy_remove()，yyy_suspend(),yyy_resume()函数指针和i2c_device_id设备ID表赋给i2c_driver的probe,remove,suspend,resume和id_table指针。
4)实现I2C设备所对应类型的具体驱动，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接。
上面的工作中前两个属于I2C总线驱动，后面两个属于I2C设备驱动。
上面的工作中前两个属于I2C总线驱动，后面两个属于I2C设备驱动。
七：I2C协议
数据传送：SCL线呈现高电平期间，SDA线上的电平必须保持稳定，低电平表示0(此时的线电压为地电压)，高电平表示1(此时的电压由元器件的VDD决定)。只有在SCL线为低电平期间，SDA上的电平允许变化。
应答信号ACK：I2C总线的数据都是以字节(8位)的方式传送的，发送器件每发送一个字节之后，在时钟的第9个脉冲期间释放数据总线，由接收器发送一个ACK(把数据总线的电平拉低)来表示数据成功接收。
无应答信号NACK： 在时钟的第9个脉冲期间发送器释放数据总线，接收器不拉低数据总线表示一个NACK，NACK有两种用途:
a. 一般表示接收器未成功接收数据字节；
b. 当接收器是主控器时，它收到最后一个字节后，应发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放总线，以便主控接收器发送一个停止信号STOP。
开始与停止信号的时序图
I2C的读写时序
读过程
写过程
整个数据发送与接收时序
ACK时序
八.适配器驱动程序分析
在linux系统中，适配器驱动位于linux目录下的\drivers\i2c\busses下，不同的处理器的适配器驱动程序设计有差异，但是总体思路不变，在适配器的驱动中，实现两个结构体非常关键，也是整个适配器驱动的灵魂。下面以某个适配器的驱动程序为例进行说明：
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",
},
};
看见这个结构体应该不会陌生，说明这个驱动是基于平台总线的，这样实现的目的是与CPU紧紧联系起来。
static const struct i2c_algorithm tcc_i2c_algorithm = {
.master_xfer = tcc_i2c_xfer,
.functionality = tcc_i2c_func,
};
这个结构体也是非常的关键，这个结构体里面的函数tcc_i2c_xfer是适配器算法的实现，这个函数实现了适配器与I2C CORE的连接。
tcc_i2c_func是指该适配器所支持的功能。tcc_i2c_xfer这个函数实质是实现I2C数据的发送与接收的处理过程。不同的处理器实
现的方法不同，主要表现在寄存器的设置与中断的处理方法上。把握上面的两点去分析适配器程序就简单多了。更深一步的分析见代码注释。
九.I2C-core驱动程序分析
在I2C-core.c这个函数中，把握下面的几个关键函数就可以了。
在I2C-core.c这个函数中，把握下面的几个关键函数就可以了。
增加/删除i2c_adapter
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)
增加/删除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/脱离
int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)
增加/删除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/脱离
int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)
int i2c_detach_client(struct i2c_client *client)
I2C传输,发送和接收
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这个函数实现了core与adapter的联系。更深一步的分析见代码注释。
十:AT24XXEEPROM驱动
在linux目录下的\drivers\misc\eeprom中实现了大部分EEPROM的驱动。对于EEPROM而言，设备本身的驱动以bin_attribute二进制sysfs结点形式呈现。分析这个驱动首先看关键的结构体
static struct i2c_driver at24_driver = {
.driver = {
.name = "at24",
.owner = THIS_MODULE,
},
.probe = at24_probe,
.remove = __devexit_p(at24_remove),
.id_table = at24_ids,
};
从上面看说明这个驱动又是基于平台总线的。再进一步看at24_bin_read()与at24_bin_write()这两个函数，这两个函数
会调用I2C_core.c中的i2c_transfer()函数，从而实现了设备,core,适配器这三者的联系。
更深一步的分析见代码注释。