嵌入式Linux驱动开发（I2C专题）（七）

使用GPIO操作I2C设备_IMX6ULL

参考资料：

• Linux文档
  • Linux-5.4\Documentation\devicetree\bindings\i2c\i2c-gpio.yaml
  • Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\i2c\i2c-gpio.txt
• Linux驱动源码
  • Linux-5.4\drivers\i2c\busses\i2c-gpio.c
  • Linux-4.9.88\drivers\i2c\busses\i2c-gpio.c

1. 硬件连接

• IMX6ULL：把I2C模块接到GPIO
  

2. 根据原理图编写设备树

2.1 原理图

2.2 编写设备树

i2c_gpio_100ask {
	compatible = "i2c-gpio";
	gpios = <&gpio4 20 0 /* sda */
		     &gpio4 21 0 /* scl */
		    >;
	i2c-gpio,delay-us = <5>;	/* ~100 kHz */
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <0>;
};

把上述代码，放入arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts的根节点下面。

3. 确认内核已经配置了I2C-GPIO

查看内核目录下的.config，如果未设置CONFIG_I2C_GPIO，上机实验时需要配置内核、编译I2C-GPIO驱动。

4. 上机实验

4.1 设置工具链

• IMX6ULL

  export ARCH=arm
  export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
  export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin
  

4.2 编译、替换设备树

• 编译设备树：
  在Ubuntu的IMX6ULL内核目录下执行如下命令,
  得到设备树文件：arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb

  make dtbs
  

• 复制到NFS目录：

  $ cp arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb ~/nfs_rootfs/
  

• 开发板上挂载NFS文件系统

  • vmware使用NAT(假设windowsIP为192.168.1.100)

    [root@100ask:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3,port=2049,mountport=9999 
    192.168.1.100:/home/book/nfs_rootfs /mnt
    

  • vmware使用桥接，或者不使用vmware而是直接使用服务器：假设Ubuntu IP为192.168.1.137

    [root@100ask:~]#  mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.1.137:/home/book/nfs_rootfs /mnt
    

• 更新设备树

  [root@100ask:~]# cp /mnt/100ask_imx6ull-14x14.dtb /boot
  [root@100ask:~]# sync
  

• 重启开发板

4.3 编译I2C-GPIO驱动

1. 配置内核

在IMX6ULL内核源码目录下执行make menuconfig命令，如下配置内核：

Device Drivers  --->
    I2C support  --->
        I2C Hardware Bus support  --->
            <M> GPIO-based bitbanging I2C      // 输入M，编译为模块        

2. 编译模块

设置工具链后，在内核目录下执行：

make modules   // 得到 drivers/i2c/busses/i2c-gpio.ko

5. 测试

在开发板上执行：

[root@100ask:~]# i2cdetect -l    // 加载i2c-gpio.ko前只看到2条I2C BUS
i2c-1   i2c             21a4000.i2c                             I2C adapter
i2c-0   i2c             21a0000.i2c                             I2C adapter
[root@100ask:~]#
[root@100ask:~]# insmod /mnt/i2c-gpio.ko   
[   45.067602] i2c-gpio i2c_gpio_100ask: using pins 116 (SDA) and 117 (SCL)
[root@100ask:~]# i2cdetect -l     // 加载i2c-gpio.ko后看到3条I2C BUS
i2c-1   i2c             21a4000.i2c                             I2C adapter
i2c-4   i2c             i2c_gpio_100ask                         I2C adapter
i2c-0   i2c             21a0000.i2c                             I2C adapter
[root@100ask:~]#
[root@100ask:~]# i2cdetect -y 4     // 检测到0x50的设备
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: 50 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --
[root@100ask:~]#
[root@100ask:~]# i2cset -f -y 4 0x50 0 0x55   // 往0地址写入0x55
[root@100ask:~]# i2cget -f -y 4 0x50 0        // 读0地址
0x55

具体芯片的I2C_Adapter驱动分析

参考资料：

• Linux内核真正的I2C控制器驱动程序
  • IMX6ULL: Linux-4.9.88\drivers\i2c\busses\i2c-imx.c
  • STM32MP157: Linux-5.4\drivers\i2c\busses\i2c-stm32f7.c

1. I2C控制器内部结构

1.1 通用的简化结构

1.2 IMX6ULL的I2C控制器内部结构

1.3 STM32MP157的I2C控制器内部结构

2. I2C控制器操作方法

• 使能时钟、设置时钟
• 发送数据：
  • 把数据写入tx_register，等待中断发生
  • 中断发生后，判断状态：是否发生错误、是否得到回应信号(ACK)
  • 把下一个数据写入tx_register，等待中断：如此循环
• 接收数据：
  • 设置controller_register，进入接收模式，启动接收，等待中断发生
  • 中断发生后，判断状态，读取rx_register得到数据
  • 如此循环

3. 分析代码

3.1 设备树

• IMX6ULL: arch/arm/boot/dts/imx6ull.dtsi

  i2c1: i2c@021a0000 {
  		#address-cells = <1>;
  		#size-cells = <0>;
  		compatible = "fsl,imx6ul-i2c", "fsl,imx21-i2c";
  		reg = <0x021a0000 0x4000>;
  		interrupts = <GIC_SPI 36 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
  		clocks = <&clks IMX6UL_CLK_I2C1>;
  		status = "disabled";   // 在100ask_imx6ull-14x14.dts把它改为了"okay"
  };
  

• STM32MP157: arch/arm/boot/dts/stm32mp151.dtsi

  i2c1: i2c@40012000 {
  		compatible = "st,stm32mp15-i2c";
  		reg = <0x40012000 0x400>;
  		interrupt-names = "event", "error";
  		interrupts-extended = <&exti 21 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
  							  <&intc GIC_SPI 32 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
  		clocks = <&rcc I2C1_K>;
  		resets = <&rcc I2C1_R>;
  		#address-cells = <1>;
  		#size-cells = <0>;
  		dmas = <&dmamux1 33 0x400 0x80000001>,
  			   <&dmamux1 34 0x400 0x80000001>;
  		dma-names = "rx", "tx";
  		power-domains = <&pd_core>;
  		st,syscfg-fmp = <&syscfg 0x4 0x1>;
  		wakeup-source;
  		status = "disabled";   // 在stm32mp15xx-100ask.dtsi把它改为了"okay"
  };
  

3.2 驱动程序分析

读I2C数据时，要先发出设备地址，这是写操作，然后再发起读操作，涉及写、读操作。所以以读I2C数据为例讲解核心代码。

• IMX6ULL：函数i2c_imx_xfer分析：
  

• STM32MP157：函数stm32f7_i2c_xfer分析
  这函数完全有驱动程序来驱动：启动传输后，就等待；在中断服务程序里传输下一个数据，知道传输完毕。

  • 启动传输
    
  • 通过中断进行后续传输