Linux I2C 驅動分析

最近在看Linux 2.6.21核心的I2C驅動，也在網上查了一下資料，有錯也有對，有些心得，記錄下來吧。裡面認識或許多有不當之處，還懇請指正。
 
1. I2C 協議
 
 1.1  I2C匯流排工作原理
      I2C匯流排是由資料線SDA和時鐘SCL構成的串列匯流排，各種被控制器件均並聯在這條匯流排上，每個器件都有一個唯一的地址識別，可以作為匯流排上的一個發送器件或接收器件(具體由器件的功能決定)
1.2  I2C匯流排的幾種訊號狀態
      1.  空閑狀態：SDA和SCL都為高電平。

      2.  開始條件(S)：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送資料。

      3.  結束條件(P)：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送資料。

      4.  資料有效：在SCL的高電平期間， SDA保持穩定，資料有效。SDA的改變只能發生在SCL的底電平期間。

      5.  ACK訊號: 資料轉送的過程中，接收器件每接收一個位元組資料要產生一個ACK訊號，向發送器件發出特定的低電平脈衝，表示已經收到資料。

1.3  I2C匯流排基本操作

      I2C匯流排必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串列時鐘（SCL），同時控制匯流排的傳輸方向，併產生開始和停止條件。

      資料轉送中，首先主器件產生開始條件，隨後是器件的控制位元組（前七位是從器件的地址，最後一位為讀寫位 ）。接下來是讀寫操作的資料，以及 ACK響應訊號。資料轉送結束時，主器件產生停止條件

 

2. Linux I2C 結構分析

2.1 層次分析

1. I2C Core

 I2C Core用於維護Linux的I2C核心部分，其中維護了兩個靜態List，分別記錄系統中的I2C driver結構和I2C adapter結構。

static LIST_HEAD(adapters);

static LIST_HEAD(drivers);

I2C core提供介面函數，允許一個I2C adatper，I2C driver和I2C client初始化時在I2C core中進行註冊，以及退出時進行登出。具體可以參見i2c_core.c代碼。

同時還提供了I2C匯流排讀寫訪問的一般介面（具體的實現在與I2C控制器相關的I2C adapter中實現），主要應用在I2C裝置驅動中。

常用的主要是

i2c_master_send()

i2c_master_recv()

i2c_transfer()

 

2. I2C bus driver

匯流排驅動的職責，是為系統中每個I2C匯流排增加相應的讀寫方法。但是匯流排驅動本身並不會進行任何的通訊，它只是存在在那裡，等待裝置驅動調用其函數。

在系統開機時，首先裝載的是I2C匯流排驅動。一個匯流排驅動用於支援一條特定的I2C匯流排的讀寫。一個匯流排驅動通常需要兩個模組，一個struct i2c_adapter和一個struct i2c_algorithm來描述：

在 buses目錄下的i2c-pxa.c中實現了PXA的I2C匯流排適配器，I2C adapter 構造一個對I2C core層介面的資料結構，並通過介面函數向I2C core註冊一個控制器。I2C adapter主要實現對I2C匯流排訪問的演算法，iic_xfer() 函數就是I2C adapter底層對I2C匯流排讀寫方法的實現。同時I2C adpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。

1) i2c-pxa.c定義了i2c_algorithm，並且實現了master的發送函數i2c_pxa_xfer()，以及裝置查詢匯流排的模式的函數i2c_pxa_functionality()

static const struct i2c_algorithm i2c_pxa_algorithm = {
 .master_xfer = i2c_pxa_xfer,
 .functionality = i2c_pxa_functionality,
};

2) i2c-pxa.c中，實現了i2c_adapter，主要是在定義pxa-i2c時進行初始化，並且i2c_pxa_probe()中進行填充parent指標，並且調用

ret = i2c_add_adapter(&i2c->adap);

進行添加。

static struct pxa_i2c i2c_pxa = {
 .lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED,
 .adap = {
  .owner  = THIS_MODULE,
  .algo  = &i2c_pxa_algorithm,
  .name  = "pxa2xx-i2c.0",
  .retries = 5,
 },
};

總的來說，在i2c-pxa中，使用platform驅動模型，完成了i2c的匯流排兩種模組struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm

 

3. I2C device driver

I2C只有匯流排驅動是不夠的，必須有裝置才能工作。這就是I2C device driver的必要性。I2C的device是有兩個模組來描述的，struct i2c_driver和struct i2c_client。

在介紹chips目錄下的device driver前有必要介紹一下i2c-dev.c檔案。

      i2c-dev.c中提供了一個通用的I2C裝置的驅動程式，實現了字元類型裝置的提供者，對裝置的具體訪問是通過I2C adapter來實現的。構造一個對I2C core層介面的資料結構，通過介面函數向 I2C Core註冊一個I2C裝置驅動。同時構造一個對使用者層介面的資料結構，並通過介面函數向核心註冊為一個主裝置號為89的字元類型裝置。

static struct i2c_driver i2cdev_driver = {
 .driver = {
  .name = "dev_driver",
 },
 .id  = I2C_DRIVERID_I2CDEV,
 .attach_adapter = i2cdev_attach_adapter,
 .detach_adapter = i2cdev_detach_adapter,
 .detach_client = i2cdev_detach_client,
};

struct i2c_dev {
 struct list_head list;
 struct i2c_adapter *adap;
 struct device *dev;
};
 

該檔案提供了使用者層對I2C裝置的訪問，包括open，read，write，ioctl，release等常規檔案操作，我們可以通過open函數開啟 I2C的裝置檔案，通過ioctl函數設定要訪問從裝置的地址，然後就可以通過 read和write函數完成對I2C裝置的讀寫操作。

static const struct file_operations i2cdev_fops = {
 .owner  = THIS_MODULE,
 .llseek  = no_llseek,
 .read  = i2cdev_read,
 .write  = i2cdev_write,
 .ioctl  = i2cdev_ioctl,
 .open  = i2cdev_open,
 .release = i2cdev_release,
};

      註：通過I2C driver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的裝置，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基於一般裝置的實現，所有的操作資料都是基於位元組流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C裝置，我們可以為一個具體的I2C裝置開發特定的I2C裝置驅動程式，在驅動中完成對特定的資料格式的解釋以及實現一些專用的功能。

在chips目錄下包含著各種device 的driver，完成各種從裝置的註冊。作為一般的I2C裝置，使用i2c-dev.c裡的操作足夠完成操作了。

當然如果不能完成，則需要獨立完成該驅動，這就是chips目錄下的代碼。因為i2c-dev.c已經實現了I2C裝置的檔案操作介面，所以只要實現struct i2c_driver就可以了。對於某些特殊的操作，可以使用command介面進行控制。 當然，對於i2介面的fm晶片，則將struct i2c_driver放在i2c的chips目錄下，而將另外fm操作相關的代碼放在了/media/radio目錄下了。在這個目錄下需要完成讀寫介面的完成，這個大部分使用V4L2架構。

繼續分析中……