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参考博客

I2C总线驱动框架详解

linux内核I2C子系统详解

一、I2C总线的物理特征

这部分内容的简介可见博客：SPI、I2C、UART（即串口）三种串行总线详解。

（1）通信线数目：两根，即SCL、SDA。

（2）通信的特点：同步、串行、电平、低速（几百k）、近距离。

（3）总线式结构：支持多个设备挂接在同一条总线上。

（4）主从式结构：通信双方必须一个为主设备，一个为从设备，主设备掌握通信的主动权，从设备按照主设备的节奏被动响应。每个从设备在总线中有唯一的地址，主设备通过从地址找到自己要通信的从设备（本质是广播）。

（5）I2C总线的用途：用于主SoC和外围设备之间的通信。常见的各种物联网传感器芯片（如gsensor、温度、湿度、光强度、酸碱度、烟雾浓度、压力等）均使用I2C接口和主SoC进行连接。

（6）I2C总线的最大优势：支持在总线上扩展多个外围设备。

（7）举例，电容触摸屏芯片的I2C接口：电容触摸屏芯片的多个引脚构成2个接口。其中一个接口是I2C接口，电容触摸屏芯片通过该接口与主SoC连接，此时触摸屏作为从设备。主SoC通过该接口初始化及控制电容触摸屏芯片，而芯片通过该接口向SoC汇报触摸事件的信息。我们使用电容触摸屏时重点关注的是这个接口。另一个接口是电容触摸屏的管理接口，电容触摸屏芯片通过该接口来控制触摸板硬件。该接口是电容触摸屏公司关心的，触摸屏芯片内部固件编程要处理这部分。我们使用电容触摸屏的人不需要关心这些内容。

二、I2C总线设备的驱动框架

I2C总线设备的驱动框架，或者说“I2C子系统”，其设计目的是让驱动开发者可以在内核中方便地添加自己的I2C设备的驱动程序，从而可以更容易地在linux下驱动I2C设备。

I2C总线设备的驱动框架内部关系如下：

1、驱动框架的组成部分

（1）I2C设备驱动层（I2C_client，I2C_driver）

和具体I2C接口的外设相关，每种外设都有自己的专属I2C驱动代码。

包括两部分：I2C从设备的注册、I2C设备驱动的注册。

（2）I2C核心层（I2C_core）

I2C核心提供了I2C总线驱动和I2C设备驱动的注册、匹配与注销方法，I2C通信方法，上层中与具体硬件无关的代码，以及探测设备检测设备地址的上层代码等。换言之，管理I2C驱动和I2C设备的注册、匹配，实现I2C的通信方法，是对I2C通信的抽象框架，与具体硬件无关。

（3）I2C总线驱动层（I2C_adapter、I2C_algorithm）

或者说I2C适配器层。这里说的I2C适配器，也就是I2C主设备，对应着Soc的I2C控制器，把I2C控制器看做一个设备，实现I2C控制器的驱动代码，和具体的Soc相关。

I2C总线驱动是I2C适配器的软件实现，或者说是SoC中内置的I2C控制器的软件抽象，可以将其理解为I2C主设备，它提供了I2C适配器与从设备间数据通信的功能。

I2C总线驱动用 I2C_adapter 和 I2C_algorithm 来描述I2C适配器。

2、I2C相关的驱动文件

源码中与I2C相关的驱动均位于drivers/i2c目录，包括的内容如下：

 （1）I2C设备驱动层相关的文件

x210开发板的电容触摸屏gslX680采用I2C接口，因此以这个I2C设备为例进行分析。其对应的驱动源代码文件是x210_kernel\drivers\input\touchscreen\gslX680.c文件。它由触摸屏IC原厂工程师提供，代码中涉及到很多触摸屏专业方面的知识，但无需理会。

gslX680.c文件进行了I2C设备驱动的注册，相应的I2C设备注册是在mach-x210.c文件中。

（2）I2C核心层相关的文件

I2C核心层相关的文件是i2c-core.c文件，它由内核开发者提供，和具体的硬件操作无关。

（3）I2C总线驱动层相关的文件

algos目录：存放的是I2C通信的算法（主要是时序等内容）。

busses目录：存放的是各种已经编写好的、将来要向i2c核心层注册的适配器文件。

我们主要分析drivers\i2c\busses\i2c-s3c2410.c文件。

3、驱动实现的两种方式

I2C驱动有两种实现方法：

（1）第一种方式对应于drivers/i2c/i2c-dev.c文件

这种方法只是对主设备（一般是SoC中内置的I2C控制器）的I2C基本操作进行封装，并且向应用层提供相应的操作接口，应用层需要编写代码来实现对从设备的控制和操作。

这种I2C驱动，只是给应用层提供了可以访问从设备的接口，本身没有对硬件做任何操作。应用需要实现对硬件的操作，因此写应用的人必须对硬件非常了解。其实实这就相当于在应用层完成传统的驱动的工作内容，所以这种I2C驱动又叫做“应用层驱动”。

它的优势是把差异化都放在应用中，这样在设备比较难缠（尤其是slave是非标准I2C时）时不用修改驱动，只需要修改应用就可以实现对各种设备的驱动。这种驱动在驱动层很简单，但并不主流，这里不进行分析。

（2）第二种方式将I2C驱动的所有代码都放在驱动层实现（直接向应用层提供最终结果）

这种实现方法中，应用层不需要知道这里面有I2C存在。比如电容式触摸屏驱动，直接向应用层提供了/dev/input/event1的操作接口，应用层编程的人根本不知道event1中涉及到I2C。这种实现方法是我们后续分析的重点。

4、相关的结构体

（1）struct i2c_adapter（I2C适配器）

struct i2c_adapter结构体用来描述一个 I2C适配器，在SoC中指的就是I2C控制器。

当向I2C核心层注册一个I2C适配器时，就需要提供这样的一个结构体变量，换另外一颗SoC则需要修改该结构体变量。

struct i2c_adapter {struct module *owner;             // 所有者unsigned int id;unsigned int class;               // 该适配器支持的从设备的类型const struct i2c_algorithm *algo; // 该适配器与从设备的通信算法void *algo_data;/* data fields that are valid for all devices    */struct rt_mutex bus_lock;int timeout;              // 超时时间int retries;struct device dev;        // 该适配器设备对应的deviceint nr;                   // 适配器的编号char name[48];            // 适配器的名字struct completion dev_released;//用来挂接（与适配器匹配成功的）从设备i2c_client的一个链表头struct list_head userspace_clients;  };

（2）struct i2c_algorithm结构体

struct i2c_algorithm结构体用来描述主设备和从设备通信的算法（主要是时序等内容），它与主设备、从设备都有关系。在构建i2c_adapter结构体变量的时候会去填充这个元素。

struct i2c_algorithm {/* If an adapter algorithm can't do I2C-level access, set master_xferto NULL. If an adapter algorithm can do SMBus access, setsmbus_xfer. If set to NULL, the SMBus protocol is simulatedusing common I2C messages *//* master_xfer should return the number of messages successfullyprocessed, or a negative value on error */int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,int num);int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,unsigned short flags, char read_write,u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);/* To determine what the adapter supports */u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);
};

注意，smbus协议是从I2C协议的基础上发展而来的，他们之间有很大的相似度，SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别，应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通讯。

（3）struct i2c_client结构体

该结构体用来描述一个I2C从设备。

​struct i2c_client {    //  用来描述一个i2c从设备unsigned short flags;        //  描述i2c从设备特性的标志位unsigned short addr;         //  i2c 从设备的地址char name[I2C_NAME_SIZE];    //  i2c从设备的名字struct i2c_adapter *adapter; //  指向与从设备匹配成功的适配器struct i2c_driver *driver;   //  指向与从设备匹配成功的设备驱动struct device dev;           //  该从设备对应的deviceint irq;                     //  从设备的中断引脚struct list_head detected;   //  作为一个链表节点挂接到（与它匹配成功的）i2c_driver 相应的链表头上
};​

（4）struct i2c_driver结构体

该结构体代表一个I2C从设备的驱动。

struct i2c_driver {    // 代表一个i2c设备驱动unsigned int class;      // i2c设备驱动所支持的i2c设备的类型/* Notifies the driver that a new bus has appeared or is about to be* removed. You should avoid using this if you can, it will probably* be removed in a near future.*/int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);   // 用来匹配适配器的函数int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);/* Standard driver model interfaces */
// 设备驱动层的probe函数int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); int (*remove)(struct i2c_client *);       // 设备驱动层卸载函数/* driver model interfaces that don't relate to enumeration  */void (*shutdown)(struct i2c_client *);int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg);int (*resume)(struct i2c_client *);/* Alert callback, for example for the SMBus alert protocol.* The format and meaning of the data value depends on the protocol.* For the SMBus alert protocol, there is a single bit of data passed* as the alert response's low bit ("event flag").*/void (*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data);/* a ioctl like command that can be used to perform specific functions* with the device.*/int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg);struct device_driver driver;      //  该i2c设备驱动所对应的device_driverconst struct i2c_device_id *id_table;  //设备驱动层用来匹配设备的id_table/* Device detection callback for automatic device creation */int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);const unsigned short *address_list;    //  该设备驱动支持的所有次设备的地址数组//  用来挂接与该i2c_driver匹配成功的i2c_client (次设备)的一个链表头struct list_head clients;                
};

（5）struct i2c_board_info结构体

这个结构体用来描述板子上的一个i2c设备的信息，一般用来对struct i2c_client结构体变量的成员进行赋值？

struct i2c_board_info {      //  这个结构体是用来描述板子上的一个i2c设备的信息char        type[I2C_NAME_SIZE];    //  i2c 设备的名字，用来初始化i2c_client.nameunsigned short    flags;            //  用来初始化i2c_client.flagsunsigned short    addr;             //  用来初始化 i2c_client.addrvoid        *platform_data;         //  用来初始化 i2c_client.dev.platform_datastruct dev_archdata    *archdata;   //  用来初始化i2c_client.dev.archdata
#ifdef CONFIG_OFstruct device_node *of_node;
#endifint        irq;                     //  用来初始化i2c_client.irq
};

（6）struct i2c_devinfo结构体

struct i2c_devinfo {struct list_head    list;   // 作为一个链表节点挂接到__i2c_board_list 链表上去int            busnum;       // 适配器的编号struct i2c_board_info    board_info; //  内置的i2c_board_info 结构体
};