Linux驱动之I2C总线设备以及驱动

[ 导读] 本文通过阅读内核代码，来梳理一下I2C子系统的整体视图。在开发I2C设备驱动程序时，往往缺乏对于系统整体的认识，导致没有一个清晰的思路。所以从高层级来分析一下I2C系统的设计思路，将有助于设计调试具体的驱动程序。

I2C/SMBUS基础

I2C是一种芯片间通讯总线技术，最早由Philips设计制定。下面内容参考I2C 2.1 规格书

• 半双工通信方式，通信采用主/从结构

• 支持多主模式，下图来源于I2C 2.0规格书
  
  

• 其内部电气实现采用集电极开路(Open-collector)/漏极开路(open-drain)结构以实现线与功能，这是总线的实现基础，多芯片通过查询总线状态实现介质仲裁以实现总线控制。

• 总线信号由两线实现，串行时钟线SCL(Serial Clock Line)/串行数据线SDA(serial Data Line)。
• 具有三种通讯速率模式：
  • standard mode:0-100 kbps (bps: bit/s)
  • Fast mode：0-400 kbps
  • High-speed mode : 0-3.4Mbps
• 可支持混速模式

• 不同的速率在硬件设计时需要注意信号的完整性，I2C总线等效电容cx
• 支持7bit/10bit 两种芯片地址模式
• I2C总线电气特性，这个非常重要，须严格遵守标准的电气特性

• SMBUS(system management bus) 。 大多数SMBus系统也符合I2C，电气约束对于SMBus更为严格，并且它标准化了特定的协议消息和习惯用语。 支持I2C的控制器也可以支持大多数SMBus操作，但是SMBus控制器并不支持I2C控制器将支持的所有协议选项。 通过使用I2C原语或通过向不支持这些I2C操作的i2c_adapter设备发出SMBus命令，可以执行各种SMBus协议操作。

  http://smbus.org/

• I2C bus(Inter-Integrated Circuit bus) https://www.i2c-bus.org/

I2C 在Linux设备中的拓扑结构

• 在PC体系中，大体如下拓扑：
  
  

PC体系中通过桥接芯片，扩展出PCI,在由PCI扩展出I2C适配器，进而得到I2C总线，或者桥接芯片直接扩展出SMBUS/I2C总线。

• 在嵌入式应用中，则可能为：

嵌入式应用中，则可能更多的情况是处理器内置了I2C/SMBUS总线控制器，直接可得到I2C/SMBUS总线。嵌入式系统中常常会设计很多传感器挂载在I2C总线上，比如温度检测，压力检测等等，又或者诸如电容触摸屏、电源管理IC等等。

代码实现

• I2C 的core实现位于./drivers/i2c/下，实现了I2C总线设备以及驱动（适配器）和设备驱动的注册、注销方法，I2C通信方法algorithm抽象，以及与具体硬件无关的代码
• I2C主控制器驱动位于 ./drivers/i2c/busses/，这里主要实现总线控制器，具体体现为i2c_adapter的实现。负责I2C适配器与从设备通信。I2C总线驱动由i2c_adapter和i2c_algorithm来抽象描述。
• 设备驱动则分散在./driver/下，这取决于具体的实现，种类繁多。
  • i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，这种方法只是封装了主机（I2Cmaster，一般是SoC中内置的I2C控制器）的I2C基本操作，并且向应用层提供相应的操作接口，应用层代码需要自己去实现对slave的控制和操作，所以这种I2C驱动相当于提供给应用层可以访问slave硬件设备的接口，本身并未对硬件做任何操作，应用需要实现对硬件的操作。这种模式也称为应用驱动程序。
  • 另一种I2C驱动是将所有的代码都放在驱动层实现，直接向应用层提供最终结果。应用层甚至不需要知道这里面有I2C存在，譬如电容式触摸屏驱动，直接向应用层提供/dev/input/event1的操作接口，应用层编程的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

I2C子系统的主要目的是，对I2C总线以及设备利用面向对象编程思想实现统一建模，以高内聚-低耦合的软件工程思想，实现一个分层体系结构，以便于内核统一管理I2C设备，从而可以更容易的在linux下实现I2C设备以及高可移植。

主要数据结构

其内部有几个关键数据结构，来梳理一下：

• i2c_client, 用于抽象挂载在I2C总线上的从设备
• i2c_driver,用于驱动挂载在I2C总线生的从设备，也即从设备的设备驱动程序
• i2c_adapter，用于抽象I2C的主设备
• i2c_algorithm，抽象I2C总线操作接口

i2c_devinfo

该结构体主要用于板级I2C信息管理

i2c_msg

该结构体主要用于抽象I2C报文，其内容如下:

i2c_timings

主要用于抽象I2C电气特性，对于支持设备树的系统构建而言，主要通过以下内核接口函数，从设备树解析电气特性参数。

void i2c_parse_fw_timings(struct device *dev, struct i2c_timings *t, bool use_defaults)
{
	int ret;

	memset(t, 0, sizeof(*t));

	ret = device_property_read_u32(dev, "clock-frequency", &t->bus_freq_hz);
	if (ret && use_defaults)
		t->bus_freq_hz = 100000;

	ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-rising-time-ns", &t->scl_rise_ns);
	if (ret && use_defaults) {
		if (t->bus_freq_hz <= 100000)
			t->scl_rise_ns = 1000;
		else if (t->bus_freq_hz <= 400000)
			t->scl_rise_ns = 300;
		else
			t->scl_rise_ns = 120;
	}

	ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-falling-time-ns", &t->scl_fall_ns);
	if (ret && use_defaults) {
		if (t->bus_freq_hz <= 400000)
			t->scl_fall_ns = 300;
		else
			t->scl_fall_ns = 120;
	}

	device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-internal-delay-ns", &t->scl_int_delay_ns);

	ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-falling-time-ns", &t->sda_fall_ns);
	if (ret && use_defaults)
		t->sda_fall_ns = t->scl_fall_ns;

	device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-hold-time-ns", &t->sda_hold_ns);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_parse_fw_timings);

i2c_device_identity

该结构体主要用于抽象I2C 设备的ID属性，通过内核接口函数i2c_get_device_id以获取设备ID属性。

总体框架

概述

Linux I2C编程接口支持总线交互的主端和从端。从高层级看由两种驱动程序和两种设备构成：

• 适配器设备与适配器设备驱动对：I2C 适配器驱动程序用于抽象控制器硬件;它绑定到一个物理设备(可能是一个PCI设备(PC体系多一些)或platform_device(嵌入式应用居多))，并构建i2c_adapter实体以呈现所管理的1个I2C总线段。

  • platform_device。 比如：i2c-s3c2410，如下：

static const struct platform_device_id s3c24xx_driver_ids[] = {
	{
		.name		= "s3c2410-i2c",
		.driver_data	= 0,
	}, {
		.name		= "s3c2440-i2c",
		.driver_data	= QUIRK_S3C2440,
	}, {
		.name		= "s3c2440-hdmiphy-i2c",
		.driver_data	= QUIRK_S3C2440 | QUIRK_HDMIPHY | QUIRK_NO_GPIO,
	}, { },
};
MODULE_DEVICE_TABLE(platform, s3c24xx_driver_ids);

• pci-I2C 适配器设备。如在i2c-ali1535.c中：

/* ALI1535 device address register bits */
#define	ALI1535_RD_ADDR		0x01	/* Read/Write Bit in Device	*/
					/*  Address field		*/
					/*  -> Write = 0		*/
					/*  -> Read  = 1		*/
#define	ALI1535_SMBIO_EN	0x04	/* SMB I/O Space enable		*/
/*PCI 设备驱动*/
static struct pci_driver ali1535_driver;
static unsigned long ali1535_smba;
static unsigned short ali1535_offset;

• I2C从设备及设备驱动对：每个I2C总线段上将有一个由结构i2c_client表示的I2C设备。这些设备将被绑定到一个struct i2c_driver，遵循标准的Linux驱动程序模型。

架构

图片来源:https://www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/slave-interface.html

主端总线驱动职责：

• 适配器和算法驱动程序，见下面i2c_algorithm结构体详细描述
• 管理I2C总线交互

从端设备驱动职责：

• i2c_client结构体具有设备的I2C总线地址以及适配器的驱动程序指针

当用户程序发出文件操作申请I2C事务时：

1. i2C_transfer (i2C-core.c) 调用 adap_algo_master_xfer，数据或消息以i2c_msg结构体传入。
2. 适配器对硬件I / O地址进行读/写操作，实现底层的I2C读写设备操作。

从应用程序直到底层的大致交互流程如下：

总结一下

I2C总线子系统在Linux内核中I2C总线模型分为主/从两端，主端主要有适配器以及适配器驱动负责管理总线，从端主要有从设备抽象以及设备驱动实现具体的从设备应用。主端适配器以两种形式存在于内核代码PCI桥接适配器或者platform_device形式。从总体理解I2C子系统的驱动模型，以及相应主要数据结构之间的关系，将有助于开发调试驱动程序，快速定位问题。

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