学习笔记1-I2C架构篇

学习笔记1: Linux设备驱动程序之I2C 基础架构篇

I2C (Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C 总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。

I2C 总线概述

I2C 总线是由数据线SDA 和时钟SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据，每个器件都有一个惟一的地址识别。I2C 规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL 为低电平的期间才能改变，SCL 为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

另外,I2C是一种多主机控制总线.它和USB总线不同,USB是基于master-slave机制,任何设备的通信必须由主机发起才可以.而 I2C 是基于multi master机制.一同总线上可允许多个master.

I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL 为低电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC 在接收到8bit 数据后，向发送数据的IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

Linux 的I2C 驱动架构

Linux 中I2C 总线的驱动分为两个部分，总线驱动（BUS）和设备驱动（DEVICE）。其中总线驱动的职责，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，它只是存在那里，等待设备驱动调用其函数，参见图1。

设备驱动则是与挂在I2C 总线上的具体的设备通讯的驱动。通过I2C 总线驱动提供的函数，设备驱动可以忽略不同总线控制器的差异，不考虑其实现细节地与硬件设备通讯。

在我们的Linux 驱动的i2c 文件夹下有algos，busses，chips 三个文件夹，另外还有i2c-core.c 和i2c- dev.c 两个文件。其中i2c-core.c 文件实现了I2C core 框架，是Linux 内核用来维护和管理的I2C 的核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2C driver 结构和I2C adapter 结构。I2C core 提供接口函数，允许一个I2C adatper，I2C driver 和I2C client 初始化时在I2C core 中进行注册，以及退出时进行注销。同时还提供了I2C 总线读写访问的一般接口，主要应用在I2C 设备驱动中。Busses 文件夹下的i2c-mpc.c 文件实现了PowerPC 下I2C 总线适配器驱动，定义描述了具体的I2C 总线适配器的i2c_adapter 数据结构，实现比较底层的对I2C 总线访问的具体方法。I2C adapter 构造一个对I2C core 层接口的数据结构，并通过接口函数向I2C core 注册一个控制器。I2C adapter 主要实现对I2C 总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是I2C adapter 底层对I2C 总线读写方法的实现。同时I2C adpter 中还实现了对I2C 控制器中断的处理函数。

i2c-dev.c 文件中实现了I2C driver，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，实现了对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C 设备，包括实现open，release，read，write 以及最重要的ioctl 等标准文件操作的接口函数。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。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。

图1 I2C基础架构分析驱动程序代码

一.先分析一下i2c架构的初始化

代码如下:

static int __init i2c_init(void)

{

int retval;

retval = bus_register(&i2c_bus_type);

if (retval)

return retval;

retval = class_register(&i2c_adapter_class);

if (retval)

goto bus_err;

retval = i2c_add_driver(&dummy_driver);

if (retval)

goto class_err;

return 0;

class_err:

class_unregister(&i2c_adapter_class);

bus_err:

bus_unregister(&i2c_bus_type);

return retval;

}

subsys_initcall(i2c_init);

很明显,i2c_init()会在系统初始化的时候被调用.

在i2c_init中,先注册了i2c_bus_type的bus,i2c_adapter_class的class.然后再调用i2c_add_driver()注册了一个i2c driver.

二.I2C驱动程序。下面分别介绍两种方式的实现。分别称为Adapter（LEGACY）和Probe方式（new style）”。

（1）adapter方式（LEGACY）

（参考2.6.27内核的pca953x.c设备驱动程序代码，原始代码采用Probe方式）

●构建i2c_driver

static struct i2c_driver pca953x_driver = {

.driver = {

.name= "pca953x", //名称

},

.id= ID_pca9555,//id号

.attach_adapter= pca953x_attach_adapter, //调用适配器连接设备

.detach_client= pca953x_detach_client,//让设备脱离适配器

};

●注册i2c_driver

static int __init pca953x_init(void)

{

return i2c_add_driver(&pca953x_driver);

}

module_init(pca953x_init);

●attach_adapter动作

执行i2c_add_driver(&pca953x_driver)后，如果内核中已经注册了i2c适配器，则顺序调用这些适配器来连接i2c设备。此过程是通过调用i2c_driver中的attach_adapter方法完成的。实现形式如下：static int pca953x_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)

{

return i2c_probe(adapter, &addr_data, pca953x_detect);

/*

adapter:适配器

addr_data:地址信息

pca953x_detect：探测到设备后调用的函数

*/

}

地址信息addr_data是由下面代码指定的。

/* Addresses to scan */static unsigned short normal_i2c[] = {0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x27,I2C_CLIENT_END};

I2C_CLIENT_INSMOD;

注意：normal_i2c里的地址必须是你i2c芯片的地址。否则将无法正确探测到设备。而I2C_