I2C总线

PHILIPS公司开发的两线式串行总线

GPIO模拟i2c驱动中有自己的一套传输算法。GPIO模拟I2C是要占用CPU资源的，而用I2C芯片是不占CPU资源的

特点

接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高

特征

• 一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL
• 它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏
• 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s
• 连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制

架构

1. I2C core框架
   
   提供了核心数据结构的定义和相关接口函数，用来实现I2C适配器。驱动和设备驱动的注册、注销管理
   
   实现在/drivers/i2c目录下的i2c-core.c和i2c-dev.c
2. I2C总线驱动
   
   定义描述具体I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构、实现在具体I2C适配器上的I2C总线通信方法，并由i2c_algorithm数据结构进行描述。 经过I2C总线驱动的的代码，可以为我们控制I2C产生开始位、停止位、读写周期以及从设备的读写、产生ACK等
   
   实现在/drivers/i2c目录下busses文件夹。例如：Linux I2C GPIO总线驱动为i2c_gpio.c；I2C总线算法在/drivers/i2c目录下algos文件夹。例如：Linux I2C GPIO总线驱动算法实现在i2c_algo_bit.c
3. I2C设备驱动
   
   对具体I2C硬件驱动的实现。I2C 设备驱动通过I2C适配器与CPU通信。其中主要包含i2c_driver和i2c_client数据结构，i2c_driver结构对应一套具体的驱动方法，例如：probe、remove、suspend等，需要自己申明；i2c_client数据结构由内核根据具体的设备注册信息自动生成
   
   实现在/drivers/i2c目录下chips文件夹

设备连接图



波形图



开始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示将要开始传输数据

结束信号：当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示结束传输数据

i2c_client

struct i2c_client
{
	unsigned short flags;        //标志位
	unsigned short addr;         //设备的地址，低7位为芯片地址
	char name[I2C_NAME_SIZE];    //设备的名称，最大为20个字节
	struct i2c_adapter *adapter; //依附的适配器i2c_adapter，适配器指明所属的总线
	struct i2c_driver *driver;   //指向设备对应的驱动程序
	struct device dev;           //设备结构体
	int irq;                     //设备申请的中断号
	struct list_head list;       //连接到总线上的所有设备
	struct list_head detected;   //已经被发现的设备链表
	struct completion released;  //是否已经释放的完成量
};

地址码

1101000x
读地址：11010001 = 0xd1
写地址：11010000 = 0xd0
设备地址：01101000 = 0x68 //高位补0 地址码

i2c_driver

struct i2c_driver
{
	int id; //驱动标识ID
	unsigned int class; //驱动的类型
	int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *); //当检测到适配器时调用的函数
	int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *); //卸载适配器时调用的函数
	int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated; //卸载设备时调用的函数

/*以下是一种新类型驱动需要的函数，这些函数支持IIC设备动态插入和拔出。如果不想支持只实现上面3个。要不实现上面3个。
要么实现下面5个。不能同时定义*/
	int  (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); //新类型设备探测函数
	int (*remove)(struct i2c_client *); //新类型设备的移除函数
	void (*shutdown)(struct i2c_client *); //关闭IIC设备
	int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_messge_t mesg); //挂起IIC设备
	int (*resume)(struct i2c_client *); //恢复IIC设备
	int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg); //使用命令使设备完成特殊的功能。类似ioctl（）函数
	struct devcie_driver driver; //设备驱动结构体
	const struct i2c_device_id *id_table; //设备ID表
	int (*detect)(struct i2c_client *, int kind, struct i2c_board_info *); //自动探测设备的回调函数
	const struct i2c_client_address_data *address_data; //设备所在的地址范围
	struct list_head clients; //指向驱动支持的设备
};

i2c_adapter

struct i2c_adapter
{
	struct module *owner; //模块计数
	unsigned int id; //alogorithm的类型，定义于i2c_id.h中
	unsigned int class; //允许探测的驱动类型
	const struct i2c_algorithm *algo; //指向适配器的驱动程序
	void *algo_data; //指向适配器的私有数据，根据不同的情况使用方法不同
	int (*client_register)(struct i2c_client *); //设备client注册时调用
	int (*client_unregister(struct i2c_client *); //设备client注销时调用
	u8 level;
	struct mutex bus_lock; //对总线进行操作时，将获得总线锁
	struct mutex clist_lock; //链表操作的互斥锁
	int timeout; //超时
	int retries; //重试次数
	struct device dev; //指向适配器的设备结构体
	int nr;
	struct list_head clients; //连接总线上的设备的链表
	char name[48]; //适配器名称
	struct completion dev_released; //用于同步的完成量
};

i2c_algorithm

struct i2c_algorithm
{
	int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct  i2c_msg *msg, int num);
		//传输函数指针，指向实现IIC总线通信协议的函数，用来确定适配器支持那些传输类型
	int (*smbus_xfer)(struct i2c_adapter *adap, u16 addr, unsigned short flags, char read_write, u8 command, int size,
		union i2c_smbus_data *data); /*smbus方式传输函数指针，指向实现SMBus总线通信协议的函数。
		SMBus和IIC之间可以通过软件方式兼容，所以这里提供了一个函数，但是一般都赋值为NULL*/
	u32 (*functionality)(struct i2c_adapter *); //返回适配器支持的功能
};

i2c_msg

struct i2c_msg
{
	__u16 addr; //IIC设备地址。这个字段说明一个适配器在获得总线控制权后，可以与多个IIC设备进行交互
	__u16 flags; //消息类型标志
	__u16 len; //消息字节长度
	__u8 *buf; //指向消息数据的缓冲区
};

i2c_adapter 与 i2c_algorithm

i2c_adapter 对应于物理上的一个适配器，而 i2c_algorithm 对应一套通信方法。一个 I2C 适配器需要 i2c_algorithm 中提供的通信函数来控制适配器上产生特定的访问周期。缺少 i2c_algorithm 的 i2c_adapter 什么也做不了，因此 i2c_adapter 中包含其使用的 i2c_algorithm 的指针

i2c_algorithm 中的关键函数 master_xfer() 用于产生 I2C 访问周期需要的信号，以 i2c_msg为单位

i2c_driver 与 i2c_client

i2c_driver 对应一套驱动方法，是纯粹的用于辅助作用的数据结构，它不对应于任何的物理实体。 i2c_client 对应于真实的物理设备，每个 I2C 设备都需要一个 i2c_client 来描述。 i2c_client 一般被包含在 i2c 字符设备的私有信息结构体中

i2c_driver 与 i2c_client 发生关联的时刻在 i2c_driver 的 attach_adapter() 函数被运行时。 attach_adapter() 会探测物理设备，当确定一个 client 存在时，把该 client 使用的 i2c_client 数据结构的 adapter 指针指向对应的 i2c_adapter

driver 指针指向该 i2c_driver ，并会调用 i2c_adapter 的 client_register() 函数。相反的过程发生在 i2c_driver 的 detach_client() 函数被调用的时候

i2c_adpater 与 i2c_client

i2c_adpater 与 i2c_client 的关系与 I2C 硬件体系中适配器和设备的关系一致，即 i2c_client 依附于 i2c_adpater 。由于一个适配器上可以连接多个 I2C 设备，所以一个 i2c_adpater 也可以被多个 i2c_client 依附， i2c_adpater 中包括依附于它的 i2c_client 的链表

SMBus

SMBus 是 I2C 的子集

1. i2c_smbus_read_byte
   
   从设备读取一个字节（不定义位置偏移，使用以前发起的命令的偏移）。意义不大，无基地址
2. i2c_smbus_write_byte
   
   从设备写入一个字节（使用以前发起的命令的偏移）
3. i2c_smbus_write_quick
   
   向设备发送一个比特
4. i2c_smbus_read_byte_data
   
   从设备指定偏移处读取一个字节。第一个msg用来传送读的基地址，第二个msg用来读取数据
5. i2c_smbus_write_byte_data
   
   向设备指定偏移处写入一个字节。传送两个msg
6. i2c_smbus_read_word_data
   
   从设备指定偏移处读取二个字节
7. i2c_smbus_write_word_data
   
   向设备指定偏移处写入二个字节
8. i2c_smbus_read_block_data
   
   从设备指定偏移处读取一块数据
9. i2c_smbus_write_block_data
   
   向设备指定偏移处写入一块数据(<= 32 字节)

上面的一系列函数最终都是调用的i2c_smbus_xfer()函数

/**
 * i2c_smbus_xfer - execute SMBus protocol operations
 * @adapter: Handle to I2C bus
 * @addr: Address of SMBus slave on that bus
 * @flags: I2C_CLIENT_* flags (usually zero or I2C_CLIENT_PEC)
 * @read_write: I2C_SMBUS_READ or I2C_SMBUS_WRITE
 * @command: Byte interpreted by slave, for protocols which use such bytes
 * @protocol: SMBus protocol operation to execute, such as I2C_SMBUS_PROC_CALL
 * @data: Data to be read or written
 *
 * This executes an SMBus protocol operation, and returns a negative
 * errno code else zero on success.
 */
s32 i2c_smbus_xfer(struct i2c_adapter *adapter, u16 addr, unsigned short flags,
		   char read_write, u8 command, int protocol,
		   union i2c_smbus_data *data)
{
	unsigned long orig_jiffies;
	int try;
	s32 res;

	/* If enabled, the following two tracepoints are conditional on
	 * read_write and protocol.
	 */
	trace_smbus_write(adapter, addr, flags, read_write,
			  command, protocol, data);
	trace_smbus_read(adapter, addr, flags, read_write,
			 command, protocol);

	flags &= I2C_M_TEN | I2C_CLIENT_PEC | I2C_CLIENT_SCCB;

	if (adapter->algo->smbus_xfer) {
		i2c_lock_adapter(adapter);

		/* Retry automatically on arbitration loss */
		orig_jiffies = jiffies;
		for (res = 0, try = 0; try <= adapter->retries; try++) {
			res = adapter->algo->smbus_xfer(adapter, addr, flags,
							read_write, command,
							protocol, data);
			if (res != -EAGAIN)
				break;
			if (time_after(jiffies,
				       orig_jiffies + adapter->timeout))
				break;
		}
		i2c_unlock_adapter(adapter);

		if (res != -EOPNOTSUPP || !adapter->algo->master_xfer)
			goto trace;
		/*
		 * Fall back to i2c_smbus_xfer_emulated if the adapter doesn't
		 * implement native support for the SMBus operation.
		 */
	}

	res = i2c_smbus_xfer_emulated(adapter, addr, flags, read_write,
				      command, protocol, data);

trace:
	/* If enabled, the reply tracepoint is conditional on read_write. */
	trace_smbus_reply(adapter, addr, flags, read_write,
			  command, protocol, data);
	trace_smbus_result(adapter, addr, flags, read_write,
			   command, protocol, res);

	return res;
}
EXPORT_SYMBOL(i2c_smbus_xfer);

首先在判断主控制器是否支持smbus_xfer传输，但是通常i2c主控制器都是不支持的，所以直接调用i2c_smbus_xfer_emulated()函数