【驱动】linux下I2C驱动架构全面分析

I2C 概述

　　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。

linux下的驱动思路

　　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。
　　　　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。

I2C架构概述

　　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。

linux驱动中i2c驱动架构

　　上图完整的描述了linux i2c驱动架构，虽然I2C硬件体系结构比较简单，但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。

　　那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序？就是说上述架构中的那些部分需要我们完成，而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的？

架构层次分类

　　第一层：提供i2c adapter的硬件驱动，探测、初始化i2c adapter（如申请i2c的io地址和中断号），驱动soc控制的i2c adapter在硬件上产生信号（start、stop、ack）以及处理i2c中断。覆盖图中的硬件实现层

　　第二层：提供i2c adapter的algorithm，用具体适配器的xxx_xferf()函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针，并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层

　　第三层：实现i2c设备驱动中的i2c_driver接口，用具体的i2c device设备的attach_adapter()、detach_adapter()方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。实现设备device与总线（或者叫adapter）的挂接。覆盖图中的driver驱动层

　　第四层：实现i2c设备所对应的具体device的驱动，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接，而挂接在总线上的设备则是千差万别的，所以要实现具体设备device的write()、read()、ioctl()等方法，赋值给file_operations，然后注册字符设备（多数是字符设备）。覆盖图中的driver驱动层

　　第一层和第二层又叫i2c总线驱动(bus)，第三第四属于i2c设备驱动(device driver)。

　　在linux驱动架构中，几乎不需要驱动开发人员再添加bus，因为linux内核几乎集成所有总线bus，如usb、pci、i2c等等。并且总线bus中的(与特定硬件相关的代码)已由芯片提供商编写完成，例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

　　第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了。

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

　　【驱动】linux下I2C驱动架构全面分析

　　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。
　　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.

重要的结构体

i2c_driver

 1 struct i2c_driver {
 2 unsigned int class;
 3 int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);//依附i2c_adapter函数指针
 4 int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);//脱离i2c_adapter函数指针
 5 int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);
 6 int (*remove)(struct i2c_client *);
 7 void (*shutdown)(struct i2c_client *);
 8 int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg);
 9 int (*resume)(struct i2c_client *);
10 void (*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data);
11 int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void*arg);//命令列表
12 struct device_driver driver;
13 const struct i2c_device_id *id_table;//该驱动所支持的设备ID表
14 int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);
15 const unsigned short *address_list;
16 struct list_head clients;
17 };

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i2c_client

 1 struct i2c_client {
 2  unsigned short flags；//标志  
 3  unsigned short addr; //低7位为芯片地址  
 4  char name[I2C_NAME_SIZE];//设备名称
 5  struct i2c_adapter *adapter;//依附的i2c_adapter
 6  struct i2c_driver *driver;//依附的i2c_driver 
 7  struct device dev;//设备结构体  
 8  int irq;//设备所使用的结构体  
 9  struct list_head detected;//链表头
10  };

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i2c_adapter

 1 struct i2c_adapter {
 2  struct module *owner;//所属模块
 3  unsigned int id;//algorithm的类型，定义于i2c-id.h,
 4  unsigned int class;    
 5  const struct i2c_algorithm *algo; //总线通信方法结构体指针
 6  void *algo_data;//algorithm数据
 7  struct rt_mutex bus_lock;//控制并发访问的自旋锁
 8  int timeout;   
 9  int retries;//重试次数
10  struct device dev; //适配器设备 
11  int nr;
12  char name[48];//适配器名称
13  struct completion dev_released;//用于同步
14  struct list_head userspace_clients;//client链表头
15 };

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