实例解析linux内核I2C体系结构

实例解析linux内核I2C体系结构

作者：刘洪涛,华清远见嵌入式学院讲师。

一、概述

谈到在linux系统下编写I2C驱动，目前主要有两种方式，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 I2C驱动体系结构来完成。下面比较下这两种驱动。

第一种方法的好处（对应第二种方法的劣势）有：

●思路比较直接，不需要花时间去了解linux内核中复杂的I2C子系统的操作方法。

第一种方法问题（对应第二种方法的好处）有：

●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设备器及设备驱动都是基于I2C子系统的格式。I2C适配器的操作简单还好，如果遇到复杂的I2C适配器（如：基于PCI的I2C适配器），工作量就会大很多。

本文针对的对象是熟悉I2C协议，并且想使用linux内核子系统的开发人员。

网络和一些书籍上有介绍I2C子系统的源码结构。但发现很多开发人员看了这些文章后，还是不清楚自己究竟该做些什么。究其原因还是没弄清楚I2C子系统为我们做了些什么，以及我们怎样利用I2C子系统。本文首先要解决是如何利用现有内核支持的I2C适配器，完成对I2C设备的操作，然后再过度到适配器代码的编写。本文主要从解决问题的角度去写，不会涉及特别详细的代码跟踪。

二、I2C设备驱动程序编写

首先要明确适配器驱动的作用是让我们能够通过它发出符合I2C标准协议的时序。

在Linux内核源代码中的drivers/i2c/busses目录下包含着一些适配器的驱动。如S3C2410的驱动i2c-s3c2410.c。当适配器加载到内核后，接下来的工作就要针对具体的设备编写设备驱动了。

编写I2C设备驱动也有两种方法。一种是利用系统给我们提供的i2c-dev.c 来实现一个i2c适配器的设备文件。然后通过在应用层操作i2c适配器来控制i2c设备。另一种是为i2c设备，独立编写一个设备驱动。注意：在后一种情况下，是不需要使用i2c-dev.c的。

1、利用i2c-dev.c操作适配器，进而控制i2c设备

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。

需要特别注意的是：i2c-dev.c的read()、write()方法都只适合于如下方式的数据格式（可查看内核相关源码）

图1 单开始信号时序

所以不具有太强的通用性，如下面这种情况就不适用（通常出现在读目标时）。

图2 多开始信号时序

而且read()、write()方法只适用用于适配器支持i2c算法的情况，如：

static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {

.master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,

.functionality = s3c24xx_i2c_func,

};

而不适合适配器只支持smbus算法的情况，如：

static const struct i2c_algorithm smbus_algorithm = {

.smbus_xfer = i801_access,

.functionality = i801_func,

};

基于上面几个原因，所以一般都不会使用i2c-dev.c的read()、write()方法。最常用的是ioctl()方法。ioctl()方法可以实现上面所有的情况（两种数据格式、以及I2C算法和smbus算法）。

针对i2c的算法，需要熟悉struct i2c_rdwr_ioctl_data 、struct i2c_msg。使用的命令是I2C_RDWR。

struct i2c_rdwr_ioctl_data {

struct i2c_msg __user *msgs;

__u32 nmsgs;

};

struct i2c_msg {

_ _u16 addr;

_ _u16 flags;

_ _u16 len;

_ _u8 *buf;

};

针对smbus算法，需要熟悉struct i2c_smbus_ioctl_data。使用的命令是I2C_SMBUS。对于smbus算法，不需要考虑“多开始信号时序”问题。

struct i2c_smbus_ioctl_data {

__u8 read_write; //读、写

__u8 command; //命令

__u32 size; //数据长度标识

union i2c_smbus_data __user *data; //数据

};

下面以一个实例讲解操作的具体过程。通过S3C2410操作AT24C02 e2prom。实现在AT24C02中任意位置的读、写功能。

首先在内核中已经包含了对s3c2410 中的i2c控制器驱动的支持。提供了i2c算法（非smbus类型的，所以后面的ioctl的命令是I2C_RDWR）

static const struct i2c_algorithm

s3c24xx_i2c_algorithm = {

.master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,

.functionality = s3c24xx_i2c_func,

};

另外一方面需要确定为了实现对AT24C02 e2prom的操作，需要确定AT24C02的地址及读写访问时序。

● AT24C02地址的确定

原理图上将A2、A1、A0都接地了，所以地址是0x50。

● AT24C02任意地址字节写的时序

可见此时序符合前面提到的“单开始信号时序”

● AT24C02任意地址字节读的时序

可见此时序符合前面提到的“多开始信号时序”

下面开始具体代码的分析（代码在2.6.22内核上测试通过）：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define I2C_RETRIES 0x0701

#define I2C_TIMEOUT 0x0702

#define I2C_RDWR 0x0707

struct i2c_msg {

unsigned short addr;

unsigned short flags;

#define I2C_M_TEN 0x0010

#define I2C_M_RD 0x0001

unsigned short len;

unsigned char *buf;

};

struct i2c_rdwr_ioctl_data

{

struct i2c_msg *msgs;

int nmsgs;

};

int main()

{

int fd,ret;

struct i2c_rdwr_ioctl_data

e2prom_data;

fd=open("/dev/i2c-0",O_RDWR);

dev/i2c-0是在注册i2c-dev.c后产生的，代表一个可操作的适配器。如果不使用i2c-dev.c

*的方式，就没有，也不需要这个节点。

*/

if(fd<0)

{

perror("open error");

}

e2prom_data.nmsgs=2;

e2prom_data.msgs=(struct

i2c_msg*)malloc(e2prom_data.nmsgs*sizeof(struct i2c_msg));

if(!e2prom_data.msgs)

{

perror("malloc error");

exit(1);

}

ioctl(fd,I2C_TIMEOUT,1);

ioctl(fd,I2C_RETRIES,2);

e2prom_data.nmsgs=1;

(e2prom_data.msgs[0]).len=2; //1个 e2prom 写入目标的地址和1个数据

(e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50; //e2prom 设备地址

(e2prom_data.msgs[0]).flags=0; //write

(e2prom_data.msgs[0]).buf=(unsig ned char*)malloc(2);

(e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x1 0;// e2prom 写入目标的地址

(e2prom_data.msgs[0]).buf[1]=0x5 8;//the data to write

ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned

long)&e2prom_data);

if(ret<0)

{

perror("ioctl error1");

}

sleep(1);

e2prom_data.nmsgs=2;

(e2prom_data.msgs[0]).len=1;

//e2prom 目标数据的地址

(e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50; // e2prom 设备地址

(e2prom_data.msgs[0]).flags=0;// write

(e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x1 0;//e2prom数据地址

(e2prom_data.msgs[1]).len=1;//读出的数据

(e2prom_data.msgs[1]).addr=0x50; // e2prom 设备地址

(e2prom_data.msgs[1]).flags=I2C_ M_RD;//read

(e2prom_data.msgs[1]).buf=(unsig ned char*)malloc(1);//存放返回值的地址。

(e2prom_data.msgs[1]).buf[0]=0;/ /初始化读缓冲

ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned

long)&e2prom_data);

if(ret<0)

{

perror("ioctl error2");

}

printf("buff[0]=%x\n",(e2prom_da ta.msgs[1]).buf[0]);

close(fd);

return 0;

}

以上讲述了一种比较常用的利用i2c-dev.c操作i2c设备的方法，这种方法可以说是在应用层完成了对具体i2c设备的驱动工作。

计划下一篇总结以下几点：

（1）在内核里写i2c设备驱动的两种方式：

● Probe方式（new style），如：

static struct i2c_driver

pca953x_driver = {

.driver = {

.name = "pca953x",

},

.probe =

pca953x_probe,

.remove =

pca953x_remove,

.id_table =

pca953x_id,

};

● Adapter方式（LEGACY），

如：

static struct i2c_driver pcf8575_driver = {

.driver =

{

.owner = THIS_MODULE,

.name = "pcf8575",

},

.attach_adapter = pcf8575_attach_adapter,

.detach_client = pcf8575_detach_client,

};

（2）适配器驱动编写方法

（3）分享一些项目中遇到的问题

希望大家多提意见，多多交流。

2. Linux I2C 结构分析

2.1 层次分析

1. I2C Core

I2C Core用于维护Linux的I2C核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2C driver结构和I2C adapter结构。

static LIST_HEAD(adapters);

static LIST_HEAD(drivers);

I2C core提供接口函数，允许一个I2C adatper，I2C driver和I2C client 初始化时在I2C core中进行注册，以及退出时进行注销。具体可以参见

i2c_core.c代码。

同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口（具体的实现在与I2C控制器相关的I2C adapter中实现），主要应用在I2C设备驱动中。

常用的主要是

i2c_master_send()

i2c_master_recv()

i2c_transfer()

2. I2C bus driver

总线驱动的职责，是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯，它只是存在在那里，等待设备驱动调用其函数。

在系统开机时，首先装载的是I2C总线驱动。一个总线驱动用于支持一条特定的I2C总线的读写。一个总线驱动通常需要两个模块，一个struct

i2c_adapter和一个struct i2c_algorithm来描述：

在 buses目录下的i2c-pxa.c中实现了PXA的I2C总线适配器，I2C adapter 构造一个对I2C core层接口的数据结构，并通过接口函数向I2C core注册一个控制器。I2C adapter主要实现对I2C总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是I2C adapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2C adpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。

1) i2c-pxa.c定义了i2c_algorithm，并且实现了master的发送函数

i2c_pxa_xfer()，以及设备查询总线的模式的函数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，实现了i2c_adapter，主要是在定义pxa-i2c时进行初始化，并且i2c_pxa_probe()中进行填充parent指针，并且调用ret =

i2c_add_adapter(&i2c->adap);进行添加。

static struct pxa_i2c i2c_pxa = {

.lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED,

.adap = {

.owner = THIS_MODULE,

.algo = &i2c_pxa_algorithm,

.name = "pxa2xx-i2c.0",

.retries = 5,

},

};

总的来说，在i2c-pxa中，使用platform驱动模型，完成了i2c的总线两种模块struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm

3. I2C device driver

I2C只有总线驱动是不够的，必须有设备才能工作。这就是I2C device driver的必要性。I2C的device是有两个模块来描述的，struct i2c_driver 和struct i2c_client。

在介绍chips目录下的device driver前有必要介绍一下i2c-dev.c文件。

i2c-dev.c中提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过I2C adapter来实现的。构造一个对I2C core层接口的数据结构，通过接口函数向 I2C Core注册一个I2C设备驱动。同时构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。

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;

};

该文件提供了用户层对I2C设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过 read和write函数完成对I2C设备的读写操作。

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,

};

注：通过I2C driver提供的通用方法可以访问任何一个I2C

的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用I2C设备，我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。

在chips目录下包含着各种device 的driver，完成各种从设备的注册。作为一般的I2C设备，使用i2c-dev.c里的操作足够完成操作了。

当然如果不能完成，则需要独立完成该驱动，这就是chips目录下的代码。因为i2c-dev.c已经实现了I2C设备的文件操作接口，所以只要实现struct

i2c_driver就可以了。对于某些特殊的操作，可以使用command接口进行控制。当然，对于i2接口的fm芯片，则将struct i2c_driver放在i2c的chips目录