正点原子嵌入式linux驱动开发——Linux I2C驱动_linux硬件i2c

在电子产品硬件设计当中，I2C 是一种很常见的同步、串行、低速、近距离通信接口，用于连接各种IC、传感器等器件，它们都会提供I2C接口与SoC主控相连，比如陀螺仪、加速度计、触摸屏等，其最大优势在于可以在总线上扩展多个外围设备的支持。

Linux内核开发者为了让驱动开发工程师在内核中方便的添加自己的I2C设备驱动程序，更容易的在linux下驱动自己的I2C接口硬件，进而引入了I2C总线框架。与Linux下的platform虚拟总线不同的是，I2C是实际的物理总线，所以I2C总线框架也是Linux下总线、设备、驱动模型的产物。

本章来学习一下如何在Linux下的I2C总线框架，以及如何使用I2C总线框架编写一个I2C接口的外设驱动程序；本章重点是学习Linux下的I2C总线框架。

I2C&AP3216C简介

I2C简介

这里跟stm32裸机开发就是一样的了，不再赘述。

I2C主要的就是总线的读写时序，下图是写时序：

下图是I2C读时序：

STM32MP1 I2C简介

STM32MP157D有6个I2C接口，其中I2C4和I2C6可以在A7安全模式或者A7非安全模式下使用，M4无法使用，STM32MP157 的I2C部分特性如下：

1. 兼容I2C总线规范第03版。
2. 支持从模式和主模式，支持多主模式功能。
3. 支持标准模式(Sm)、快速模式(Fm)和超快速模式(Fm+)，其中，标准模式100kHz，快速模式400 kHz，超快速模式可以到1MHz。
4. 7 位和10位寻址模式。
5. 多个7位从地址，所有7位地址应答模式。
6. 软件复位。
7. 带DMA功能的1字节缓冲。
8. 广播呼叫。

AP3216C简介

STM32MP1开发板上通过I2C5连接了一个三合一环境传感器：AP3216C。AP3216C是由敦南科技推出的一款传感器，其支持环境光强度(ALS)、接近距离(PS)和红外线强度(IR)这三个环境参数检测。该芯片可以通过IIC接口与主控制相连，并且支持中断，AP3216C的特点如下：

1. I2C接口，快速模式下波特率可以到400Kbit/S。
2. 多种工作模式选择：ALS、PS+IR、ALS+PS+IR、PD等等。
3. 内建温度补偿电路。
4. 宽工作温度范围(-30 C - +80 C)。
5. 超小封装，4.1mm x 2.4mm x 1.35mm。
6. 环境光传感器具有16位分辨率。
7. 接近传感器和红外传感器具有10位分辨率。

AP3216C常被用于手机、平板、导航设备等，其内置的接近传感器可以用于检测是否有物体接近，比如手机上用来检测耳朵是否接触听筒，如果检测到的话就表示正在打电话，手机就会关闭手机屏幕以省电。也可以使用环境光传感器检测光照强度，可以实现自动背光亮度调节。AP3216C结构如下图所示：

AP3216的设备地址为0X1E，同几乎所有的 I2C从器件一样，AP3216C内部也有一些寄存器，通过这些寄存器可以配置AP3216C的工作模式，并且读取相应的数据。 AP3216C用的寄存器如下图所示：

在上图中，0X00这个寄存器是模式控制寄存器，用来设置AP3216C的工作模式，一般开始先将其设置为0X04，也就是先软件复位一次AP3216C。接下来根据实际使用情况选择合适的工作模式，比如设置为0X03，也就是开启ALS+PS+IR。0X0A-0X0F这6个寄存器就是数据寄存器，保存着ALS、PS和IR这三个传感器获取到的数据值。如果同时打开ALS、PS和IR的读取间隔最少要112.5ms，因为AP3216C完成一次转换需要112.5ms。

Linux I2C总线框架简介

使用裸机的方式编写一个I2C器件的驱动程序，一般需要实现两部分：

1. I2C 主机驱动。
2. I2C 设备驱动。

I2C主机驱动也就是SoC的I2C控制器对应的驱动程序，I2C设备驱动其实就是挂在I2C总线下的具体设备对应的驱动程序，例如eeprom、触摸屏IC、传感器IC等；对于主机驱动来说，一旦编写完成就不需要再做修改，其他的I2C设备直接调用主机驱动提供的API函数完成读写操作即可。这个正好符合Linux的驱动分离与分层的思想，因此Linux内核也将I2C驱动分为两部分。

Linux内核开发者为了让驱动开发工程师在内核中方便的添加自己的I2C设备驱动程序，方便更容易的在linux下驱动自己的I2C接口硬件，进而引入了I2C总线框架，一般也叫作I2C子系统，Linux下I2C子系统总体框架如下所示：

从上图可以看出，I2C子系统分为三大组成部分。

I2C核心(I2C-core)

I2C核心提供了I2C总线驱动(适配器)和设备驱动的注册、注销方法，I2C通信方法(algorithm)与具体硬件无关的代码，以及探测设备地址的上层代码等。

I2C总线驱动(I2C adapter)

I2C总线驱动是I2C适配器的软件实现，提供I2C适配器与从设备间完成数据通信的能力。I2C总线驱动由i2c_adapter和i2c_algorithm来描述。I2C适配器是SoC中内置i2c控制器的软件抽象，可以理解为他所代表的是一个I2C主机。

I2C设备驱动(I2C client driver)

包括两部分：设备的注册和驱动的注册。

I2C子系统帮助内核统一管理I2C设备，让驱动开发工程师在内核中可以更加容易地添加自己的I2C设备驱动程序。

I2C总线驱动

首先来看一下I2C总线，在讲platform的时候就说过，platform是虚拟出来的一条总线，目的是为了实现总线、设备、驱动框架。对于I2C而言，不需要虚拟出一条总线，直接使用I2C总线即可。I2C总线驱动重点是I2C适配器(也就是SoC的I2C接口控制器)驱动，这里要用到两个重要的数据结构：i2c_adapter和i2c_algorithm。I2C子系统将SoC的I2C适配器(控制器)抽象成一个i2c_adapter结构体，i2c_adapter结构体定义在include/linux/i2c.h文件中，结构体内容如下：

第688行，i2c_algorithm类型的指针变量algo，对于一个I2C适配器，肯定要对外提供读写API函数，设备驱动程序可以使用这些API函数来完成读写操作。i2c_algorithm就是I2C适配器与IIC设备进行通信的方法。

i2c_algorithm结构体定义在include/linux/i2c.h文件中，内容如下：

第536行，master_xfer就是I2C适配器的传输函数，可以通过此函数来完成与IIC设备之间的通信。

第540行，smbus_xfer就是SMBUS总线的传输函数。smbus协议是从I2C协议的基础上发展而来的，他们之间有很大的相似度，SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别，应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通讯。

综上所述，I2C总线驱动，或者说I2C适配器驱动的主要工作就是初始化i2c_adapter结构体变量，然后设置i2c_algorithm中的master_xfer函数。完成以后通过i2c_add_numbered_adapter或i2c_add_adapter这两个函数向I2C子系统注册设置好的i2c_adapter，这两个 函数的原型如下：

int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter) 
int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adap)
1
2

这两个函数的区别在于i2c_add_adapter会动态分配一个总线编号，而i2c_add_numbered_adapter函数则指定一个静态的总线编号。函数参数和返回值含义如下：

• adapter或adap：要添加到Linux内核中的i2c_adapter，也就是I2C适配器。
• 返回值：0，成功；负值，失败。

如果要删除I2C适配器的话使用i2c_del_adapter函数即可，函数原型如下：

void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter * adap)
1

函数参数和返回值含义如下：

• adap：要删除的I2C适配器。
• 返回值：无。

关于I2C的总线(控制器或适配器)驱动就讲解到这里，一般SoC的I2C总线驱动都是由半导体厂商编写的，比如STM32MP1的I2C适配器驱动ST官方已经编写好了，这个不需要用户去编写。因此I2C总线驱动对SoC使用者来说是被屏蔽掉的，只要专注I2C设备驱动即可。

I2C总线设备

I2C设备驱动重点关注两个数据结构：i2c_client和i2c_driver，根据总线、设备和驱动模型，I2C总线上一小节已经讲了。还剩下设备和驱动，i2c_client用于描述I2C总线下的设备，i2c_driver则用于描述I2C总线下的设备驱动，类似于platform总线下的platform_device和platform_driver。

i2c_client结构体

i2c_client结构体定义在include/linux/i2c.h文件中，内容如下：

一个I2C设备对应一个i2c_client结构体变量，系统每检测到一个I2C从设备就会给这个设备分配一个i2c_client。

i2c_driver结构体

i2c_driver类似platform_driver，是编写I2C设备驱动重点要处理的内容，i2c_driver结构体定义在include/linux/i2c.h文件中，内容如下：

示例代码41.2.2.2 i2c_driver结构体 
253 struct i2c_driver { 
254     unsigned int class; 
255 
256     /* Standard driver model interfaces */ 
257     int (*probe)(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id); 
258     int (*remove)(struct i2c_client *client); 
259 
260     /* New driver model interface to aid the seamless removal of 
261      * the current probe()'s, more commonly unused than used 
262      second parameter.*/ 
263     int (*probe_new)(struct i2c_client *client); 
264 
265     /* driver model interfaces that don't relate to enumeration */ 
266     void (*shutdown)(struct i2c_client *client);
267 
268     /* Alert callback, for example for the SMBus alert protocol. 
269      * The format and meaning of the data value depends on the 
270      * protocol. For the SMBus alert protocol, there is a single 
271      * bit of data passed as the alert response's low bit ("event 
272      * flag"). For the SMBus Host Notify protocol, the data 
273      * corresponds to the 16-bit payload data reported by the 
274     slave device acting as master.*/ 
275     void (*alert)(struct i2c_client *client, enum i2c_alert_protocol protocol, 
276 unsigned int data); 
277 
278     /* a ioctl like command that can be used to perform specific 
279      * functions with the device. 
280      */ 
281     int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg); 
282 
283     struct device_driver driver; 
284     const struct i2c_device_id *id_table; 
285 
286     /* Device detection callback for automatic device creation */ 
287     int (*detect)(struct i2c_client *client, struct i2c_board_info *info); 
288     const unsigned short *address_list; 
289     struct list_head clients; 
290 
291     bool disable_i2c_core_irq_mapping; 
292 };
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第257行，当I2C设备和驱动匹配成功以后probe函数就会执行，和platform驱动一样。

第283行，device_driver驱动结构体，如果使用设备树的话，需要设置device_driver的of_match_table成员变量，也就是驱动的兼容(compatible)属性。

第284行，id_table是传统的、未使用设备树的设备匹配ID表。

对于I2C设备驱动编写人来说，重点工作就是构建i2c_driver，构建完成以后需要向I2C子系统注册这个i2c_driver。i2c_driver注册函数为int i2c_register_driver，此函数原型如下：

int i2c_register_driver(struct module *owner, 
						struct i2c_driver *driver)
1
2

函数参数和返回值含义如下：

• owner：一般为THIS_MODULE。
• driver：要注册的i2c_driver。
• 返回值：0，成功；负值，失败。

另外i2c_add_driver也常常用于注册i2c_driver，i2c_add_driver是一个宏，定义如下：

i2c_add_driver就是对i2c_register_driver做了一个简单的封装，只有一个参数，就是要注册
的i2c_driver。

注销I2C设备驱动的时候需要将前面注册的i2c_driver从I2C子系统中注销掉，需要用到
i2c_del_driver函数，此函数原型如下：

void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver) 
1

函数参数和返回值含义如下：

• driver：要注销的i2c_driver。
• 返回值：无。

i2c_driver的注册示例代码如下：

示例代码41.2.2.4 i2c_driver注册流程 
1  /* i2c驱动的probe函数 */ 
2  static int xxx_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) 
3  { 
4      /* 函数具体程序 */ 
5      return 0; 
6  } 
7 
8      /* i2c驱动的remove函数 */ 
9  static int ap3216c_remove(struct i2c_client *client) 
10 { 
11     /* 函数具体程序 */ 
12     return 0; 
13 } 
14 
15 /* 传统匹配方式ID列表 */ 
16     static const struct i2c_device_id xxx_id[] = { 
17     {"xxx", 0}, 
18     {} 
19 }; 
20 
21 /* 设备树匹配列表 */ 
22 static const struct of_device_id xxx_of_match[] = { 
23     { .compatible = "xxx" }, 
24     { /* Sentinel */ } 
25 }; 
26 
27 /* i2c驱动结构体 */ 
28 static struct i2c_driver xxx_driver = { 
29     .probe = xxx_probe, 
30     .remove = xxx_remove,
31     .driver = { 
32         .owner = THIS_MODULE, 
33         .name = "xxx", 
34         .of_match_table = xxx_of_match, 
35         }, 
36         .id_table = xxx_id, 
37     }; 
38 
39 /* 驱动入口函数 */ 
40 static int __init xxx_init(void) 
41 { 
42     int ret = 0; 
43 
44     ret = i2c_add_driver(&xxx_driver); 
45     return ret; 
46 } 
47 
48 /* 驱动出口函数 */ 
49 static void __exit xxx_exit(void) 
50 { 
51     i2c_del_driver(&xxx_driver); 
52 } 
53 
54 module_init(xxx_init); 
55 module_exit(xxx_exit);
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第16-19行，i2c_device_id，无设备树的时候匹配ID表。

第22-25行，of_device_id，设备树所使用的匹配表。

第28-37行，i2c_driver，当I2C设备和I2C驱动匹配成功以后probe函数就会执行，这些和platform驱动一样，probe函数里面基本就是标准的字符设备驱动那一套了。

I2C设备和驱动匹配过程

I2C设备和驱动的匹配过程是由I2C子系统核心层来完成的，drivers/i2c/i2c-core-base.c就
是I2C的核心部分，I2C核心提供了一些与具体硬件无关的API函数，比如前面讲过的：

i2c_adapter注册/注销函数

int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter) 
int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adap) 
void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter * adap)
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3

i2c_driver注册/注销函数

int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver) 
int i2c_add_driver (struct i2c_driver *driver) 
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)
1
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3

设备和驱动的匹配过程也是由核心层完成的，I2C总线的数据结构为i2c_bus_type，定义在drivers/i2c/i2c-core-base.c文件，i2c_bus_type内容如下：

.match就是I2C总线的设备和驱动匹配函数，在这里就是i2c_device_match函数，此函数内容如下：

第100行，i2c_of_match_device函数用于完成设备树中定义的设备与驱动匹配过程。比较I2C设备节点的compatible属性和of_device_id中的compatible属性是否相等，如果相当的话就表示I2C设备和驱动匹配。

第104行，acpi_driver_match_device函数用于ACPI形式的匹配。

第110行，i2c_match_id函数用于传统的、无设备树的I2C设备和驱动匹配过程。比较I2C设备名字和i2c_device_id的 name字段是否相等，相等的话就说明I2C设备和驱动匹配成功。

STM32MP1 I2C适配器驱动分析

上一小节讲解了Linux下的I2C子系统，重点分为I2C适配器驱动和I2C设备驱动，其中I2C适配器驱动就是SoC的I2C控制器驱动。I2C设备驱动是需要用户根据不同的I2C从设备去编写，而I2C适配器驱动一般都是SoC厂商去编写的，比如ST就已经提供了STM3MP21的I2C适配器驱动程序。在内核源码arch/arm/boot/dts/stm32mp151.dtsi设备树文件中找到STM32MP1的I2C控制器节点，节点内容如下所示：

重点关注i2c1节点的compatible属性值，因为通过compatible属性值可以在Linux源码里
面找到对应的驱动文件。这里i2c1节点的compatible属性值“st,stm32mp15-i2c”，在Linux源码中搜索这个字符串即可找到对应的驱动文件。STM32MP1的I2C适配器驱动驱动文件为drivers/i2c/busses/i2c-stm32f7.c，在此文件中有如下内容：

从示例代码41.3.2可以看出，STM32MP1的I2C适配器驱动是个标准的platform驱动，由此可以看出，虽然I2C总线为别的设备提供了一种总线驱动框架，但是I2C适配器却是platform驱动。

第2529行，“st,stm32mp15-i2c”属性值，设备树中i2c1节点的compatible属性值就是与此匹配上的。因此i2c-stm32f7.c文件就是STM32MP1的I2C适配器驱动文件。

第2533行，当设备和驱动匹配成功以后stm32f7_i2c_probe函数就会执行，stm32f7_i2c_probe函数就会完成I2C适配器初始化工作。stm32f7_i2c_probe函数内容如下所示(有省略)：

示例代码41.3.3 stm32f7_i2c_probe函数代码段 
2106 static int stm32f7_i2c_probe(struct platform_device *pdev) 
2107 { 
2108     struct stm32f7_i2c_dev *i2c_dev; 
2109     const struct stm32f7_i2c_setup *setup; 
2110     struct resource *res; 
2111     u32 rise_time, fall_time; 
2112     struct i2c_adapter *adap; 
2113     struct reset_control *rst; 
2114     dma_addr_t phy_addr; 
2115     int irq_error, ret; 
2116 
2117     i2c_dev = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*i2c_dev), GFP_KERNEL); 
2118     if (!i2c_dev) 
2119         return -ENOMEM; 
2120 
2121     res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); 
2122     i2c_dev->base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res); 
2123     if (IS_ERR(i2c_dev->base)) 
2124         return PTR_ERR(i2c_dev->base); 
2125     phy_addr = (dma_addr_t)res->start; 
2126 
2127     i2c_dev->irq_event = platform_get_irq(pdev, 0); 
2128     if (i2c_dev->irq_event <= 0) { 
2129         if (i2c_dev->irq_event != -EPROBE_DEFER) 
2130             dev_err(&pdev->dev, "Failed to get IRQ event: %d\n", 
2131                 i2c_dev->irq_event);
2132         return i2c_dev->irq_event ? : -ENOENT; 
2133     } 
2134 
2135     irq_error = platform_get_irq(pdev, 1); 
2136     if (irq_error <= 0) { 
2137         if (irq_error != -EPROBE_DEFER) 
2138             dev_err(&pdev->dev, "Failed to get IRQ error: %d\n", 
2139                 irq_error); 
2140         return irq_error ? : -ENOENT; 
2141     } 
...... 
2159     ret = device_property_read_u32(&pdev->dev, "clock-frequency", 
2160                         &i2c_dev->bus_rate); 
2161     if (ret) 
2162         i2c_dev->bus_rate = I2C_STD_RATE; 
2163 
2164     if (i2c_dev->bus_rate > I2C_FASTPLUS_RATE) { 
2165         dev_err(&pdev->dev, "Invalid bus speed (%i>%i)\n", 
2166             i2c_dev->bus_rate, I2C_FASTPLUS_RATE); 
2167         return -EINVAL; 
2168     } 
...... 
2183 
2184     ret = devm_request_threaded_irq(&pdev->dev, i2c_dev->irq_event, 
2185                 stm32f7_i2c_isr_event, 
2186                 stm32f7_i2c_isr_event_thread, 
2187                 IRQF_ONESHOT, 
2188                 pdev->name, i2c_dev); 
2189     if (ret) { 
2190         dev_err(&pdev->dev, "Failed to request irq event %i\n", 
2191             i2c_dev->irq_event); 
2192         goto clk_free; 
2193     } 
2194 
2195     ret = devm_request_irq(&pdev->dev, irq_error, stm32f7_i2c_isr_error, 0, 
2196                 pdev->name, i2c_dev); 
2197     if (ret) { 
2198         dev_err(&pdev->dev, "Failed to request irq error %i\n", 
2199             irq_error); 
2200         goto clk_free; 
2201     }

2226     if (i2c_dev->bus_rate > I2C_FAST_RATE) { 
2227         ret = stm32f7_i2c_setup_fm_plus_bits(pdev, i2c_dev); 
2228         if (ret) 
2229         goto clk_free; 
2230     } 
2231 
2232     adap = &i2c_dev->adap; 
2233     i2c_set_adapdata(adap, i2c_dev); 
2234     snprintf(adap->name, sizeof(adap->name), "STM32F7 I2C(%pa)", 
2235         &res->start); 
2236     adap->owner = THIS_MODULE; 
2237     adap->timeout = 2 * HZ; 
2238     adap->retries = 3; 
2239     adap->algo = &stm32f7_i2c_algo; 
2240     adap->dev.parent = &pdev->dev; 
2241     adap->dev.of_node = pdev->dev.of_node; 
2242 
2243     init_completion(&i2c_dev->complete); 
2244 
2245     /* Init DMA config if supported */ 
2246     i2c_dev->dma = stm32_i2c_dma_request(i2c_dev->dev, phy_addr, 
2247                         STM32F7_I2C_TXDR, 
2248                         STM32F7_I2C_RXDR); 
2249     if (PTR_ERR(i2c_dev->dma) == -ENODEV) 
2250         i2c_dev->dma = NULL; 
2251     else if (IS_ERR(i2c_dev->dma)) { 
2252         ret = PTR_ERR(i2c_dev->dma); 
2253         goto fmp_clear; 
2254     } 
...... 
2276     stm32f7_i2c_hw_config(i2c_dev); 
2277 
2278     ret = i2c_add_adapter(adap); 
2279     if (ret) 
2280         goto pm_disable; 
...... 
2307     return 0; 
...... 
2340 }
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第2117行，ST使用stm32f7_i2c_dev结构体来表示STM32MP1系列SOC的I2C控制器，这里使用devm_kzalloc函数来申请内存。

第2121-2122行，调用platform_get_resource函数从设备树中获取I2C1控制器寄存器物理基地址，也就是0x40012000。获取到寄存器基地址以后使用devm_ioremap_resource函数对其进行内存映射，得到可以在Linux中使用的虚拟地址。

第2127行和第2135行，调用platform_get_irq函数获取中断号。

第2159-2160行，设置I2C频率默认为I2C_STD_RATE=100KHz，如果设备树节点设置了“clock-frequency”属性的话I2C频率就使用clock-frequency属性值。

第2184-2196行，注册I2C控制器的两个中断。

第2232-2241行，stm32f7_i2c_dev结构体有个adap的成员变量，adap就是i2c_adapter，这里初始化i2c_adapter。第2239行设置i2c_adapter的algo成员变量为stm32f7_i2c_algo，也就是设置i2c_algorithm。

第2246行，申请DMA，看来STM32MP1的I2C适配器驱动是可以采用DMA方式。

第2276行，调用stm32f7_i2c_hw_config函数初始化I2C1控制器的相关硬件寄存器。

第2278行，调用i2c_add_adapter函数向Linux内核注册i2c_adapter。

stm32f7_i2c_probe函数主要的工作就是一下两点：

1. 初始化i2c_adapter，设置i2c_algorithm为 stm32f7_i2c_algo，最后向Linux内核注册i2c_adapter。
2. 初始化I2C1控制器的相关寄存器。

stm32f7_i2c_algo包含I2C1适配器与I2C设备的通信函数master_xfer，stm32f7_i2c_algo 结构体定义如下：

先来看一下.functionality，functionality用于返回此I2C适配器支持什么样的通信协议，在这里functionality就是stm32f7_i2c_func函数，stm32f7_i2c_func函数内容如下：

重点来看一下stm32f7_i2c_xfer函数 ，因为最终就是通过此函数来完成与I2C设备通信的，此函数内容如下：

示例代码41.3.6stm32f7_i2c_xfer函数 
1657 static int stm32f7_i2c_xfer(struct i2c_adapter *i2c_adap, 
1658                             struct i2c_msg msgs[], int num) 
1659 { 
1660     struct stm32f7_i2c_dev *i2c_dev = i2c_get_adapdata(i2c_adap);
1661     struct stm32f7_i2c_msg *f7_msg = &i2c_dev->f7_msg; 
1662     struct stm32_i2c_dma *dma = i2c_dev->dma; 
1663     unsigned long time_left; 
1664     int ret; 
1665 
1666     i2c_dev->msg = msgs; 
1667     i2c_dev->msg_num = num; 
1668     i2c_dev->msg_id = 0; 
1669     f7_msg->smbus = false; 
1670 
1671     ret = pm_runtime_get_sync(i2c_dev->dev); 
1672     if (ret < 0) 
1673         return ret; 
1674 
1675     ret = stm32f7_i2c_wait_free_bus(i2c_dev); 
1676     if (ret) 
1677         goto pm_free; 
1678 
1679     stm32f7_i2c_xfer_msg(i2c_dev, msgs); 
1680 
1681     time_left = wait_for_completion_timeout(&i2c_dev->complete, 
1682                     i2c_dev->adap.timeout); 
1683     ret = f7_msg->result; 
1684 
1685     if (!time_left) { 
1686         dev_dbg(i2c_dev->dev, "Access to slave 0x%x timed out\n", 
1687             i2c_dev->msg->addr); 
1688         if (i2c_dev->use_dma) 
1689             dmaengine_terminate_all(dma->chan_using); 
1690         ret = -ETIMEDOUT; 
1691     } 
1692 
1693 pm_free: 
1694     pm_runtime_mark_last_busy(i2c_dev->dev); 
1695     pm_runtime_put_autosuspend(i2c_dev->dev); 
1696 
1697     return (ret < 0) ? ret : num; 
1698 }
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第1675行，调用stm32f7_i2c_wait_free_bus函数等待I2C总线空闲，也就是读取I2C控制的ISR寄存器的bit15(BUSY)位，此位用来标记I2C控制器是否忙。

第1679行，调用stm32f7_i2c_xfer_msg函数发送数据，此函数也是操作I2C控制器硬件寄存器的。

I2C设备驱动编写流程

I2C适配器驱动SOC厂商已经编写好了，需要做的就是编写具体的设备驱动，本小节就来学习一下I2C设备驱动的详细编写流程。

I2C设备信息描述

未使用设备树

首先肯定要描述I2C设备节点信息，先来看一下没有使用设备树的时候是如何在BSP里面描述I2C设备信息的，在未使用设备树的时候需要在BSP里面使用i2c_board_info结构体来描述一个具体的I2C设备。i2c_board_info结构体如下：

type和addr这两个成员变量是必须要设置的，一个是I2C设备的名字，一个是I2C设备的器件地址。举个例子，打开arch/arm/mach-imx/mach-armadillo5x0.c文件，此文件中有关于s35390a这个I2C器件对应的设备描述信息：

示例代码41.4.1.2中使用I2C_BOARD_INFO来完成armadillo5x0_i2c_rtc的初始化工作，I2C_BOARD_INFO是一个宏，定义如下：

可以看出I2C_BOARD_INFO宏其实就是设置i2c_board_info的type和addr这两个成员变量，因此示例代码41.4.1.2的主要工作就是设置I2C设备名字为s35390a，器件地址为0X30。

可以在Linux源码里面全局搜索i2c_board_info，会找到大量以i2c_board_info定义的I2C设备信息，这些就是未使用设备树的时候I2C设备的描述方式，当采用了设备树以后就不会再使用i2c_board_info来描述I2C设备了。

使用设备树

使用设备树的时候I2C设备信息通过创建相应的节点就行了，比如在STM32MP1的开发板上有一个I2C器件AP3216C，这是三合一的环境传感器，并且该器件挂在STM32MP1的I2C5总线接口上，因此必须在i2c5节点下创建一个子节点来描述AP3216C设备，节点示例如下所示：

示例代码41.4.1.4 i2c从设备节点示例 
1  &i2c5 { 
2      pinctrl-names = "default", "sleep"; 
3      pinctrl-0 = <&i2c5_pins_a>; 
4      pinctrl-1 = <&i2c5_pins_sleep_a>; 
5      status = "okay"; 
6 
7      ap3216c@1e { 
8          compatible = " alientek,ap3216c"; 
9          reg = <0x1e>; 
10     }; 
11 }；
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第2-4行，设置了i2c5的pinmux的配置。

第7-10行，向i2c5添加ap3216c子节点，第7行“ap3216c@1e”是子节点名字 ，“@”后面的“1e”就是ap3216c的I2C器件地址。第8行设置compatible属性值为“alientek,ap3216c”。
第9行的reg属性也是设置ap3216c的器件地址的，因此值为0x1e。

I2C设备节点的创建重点是compatible属性和reg属性的设置，一个用于匹配驱动，一个用于设置器件地址。

I2C设备数据收发处理流程

I2C设备驱动首先要做的就是初始化i2c_driver并向Linux内核注册。当设备和驱动匹配以后i2c_driver里面的probe函数就会执行，probe函数里面所做的就是字符设备驱动那一套了。一般需要在probe函数里面初始化I2C设备，要初始化I2C设备就必须能够对I2C设备寄存器进行读写操作，这里就要用到i2c_transfer函数了。i2c_transfer函数最终会调用I2C适配器中i2c_algorithm里面的master_xfer函数，对于STM32MP1而言就是stm32f7_i2c_xfer这个函数。i2c_transfer函数原型如下：

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, 
				 struct i2c_msg *msgs, 
				 int num)
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函数参数和返回值含义如下：

• adap：所使用的I2C适配器，i2c_client会保存其对应的i2c_adapter。
• msgs：I2C要发送的一个或多个消息。
• num：消息数量，也就是msgs的数量。
• 返回值：负值，失败，其他非负值，发送的msgs数量。

重点来看一下msgs这个参数，这是一个i2c_msg类型的指针参数，I2C进行数据收发就是消息的传递，Linux内核使用i2c_msg结构体来描述一个消息。i2c_msg结构体定义在include/uapi/linux/i2c.h文件中，结构体内容如下：

使用i2c_transfer函数发送数据之前要先构建好i2c_msg，使用i2c_transfer进行I2C数据收
发的示例代码如下：

示例代码41.4.2.2 I2C设备多寄存器数据读写 
1  /* 设备结构体 */ 
2  struct xxx_dev { 
3      ...... 
4      void *private_data; /* 私有数据，一般会设置为i2c_client */ 
5  }; 
6 
7  /* 
8   * @description : 读取I2C设备多个寄存器数据 
9   * @param – dev : I2C设备 
10  * @param – reg : 要读取的寄存器首地址 
11  * @param – val : 读取到的数据 
12  * @param – len : 要读取的数据长度 
13  * @return : 操作结果 
14  */ 
15 static int xxx_read_regs(struct xxx_dev *dev, u8 reg, void *val, int len) 
16 { 
17     int ret; 
18     struct i2c_msg msg[2]; 
19     struct i2c_client *client = (struct i2c_client *) dev->private_data; 
20 
21     /* msg[0]，第一条写消息，发送要读取的寄存器首地址 */ 
22     msg[0].addr = client->addr; /* I2C器件地址 */ 
23     msg[0].flags = 0; /* 标记为发送数据 */ 
24     msg[0].buf = ® /* 读取的首地址 */ 
25     msg[0].len = 1; /* reg长度 */ 
26
27     /* msg[1]，第二条读消息，读取寄存器数据 */ 
28     msg[1].addr = client->addr; /* I2C器件地址 */ 
29     msg[1].flags = I2C_M_RD; /* 标记为读取数据 */ 
30     msg[1].buf = val; /* 读取数据缓冲区 */ 
31     msg[1].len = len; /* 要读取的数据长度 */ 
32 
33     ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2); 
34     if(ret == 2) { 
35         ret = 0; 
36     } else { 
37         ret = -EREMOTEIO; 
38     } 
39     return ret; 
40 } 
41 
42 /* 
43  * @description : 向I2C设备多个寄存器写入数据 
44  * @param – dev : 要写入的设备结构体 
45  * @param – reg : 要写入的寄存器首地址 
46  * @param – val : 要写入的数据缓冲区 
47  * @param – len : 要写入的数据长度 
48  * @return : 操作结果 
49  */ 
50 static s32 xxx_write_regs(struct xxx_dev *dev, u8 reg, u8 *buf, u8 len) 
51 { 
52     u8 b[256]; 
53     struct i2c_msg msg; 
54     struct i2c_client *client = (struct i2c_client *) dev->private_data; 
55 
56     b[0] = reg; /* 寄存器首地址 */ 
57     memcpy(&b[1],buf,len); /* 将要发送的数据拷贝到数组b里面 */ 
58 
59     msg.addr = client->addr; /* I2C器件地址 */ 
60     msg.flags = 0; /* 标记为写数据 */ 
61 
62     msg.buf = b; /* 要发送的数据缓冲区 */ 
63     msg.len = len + 1; /* 要发送的数据长度 */ 
64 
65     return i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1); 
66 }
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第2-5行，设备结构体，在设备结构体里面添加一个执行void的指针成员变量private_data，此成员变量用于保存设备的私有数据。在I2C设备驱动中一般将其指向I2C设备对应的i2c_client。

第15-40行，xxx_read_regs函数用于读取I2C设备多个寄存器数据。第18行定义了一个i2c_msg数组，2个数组元素，因为I2C读取数据的时候要先发送要读取的寄存器地址，然后再读取数据，所以需要准备两个i2c_msg。一个用于发送寄存器地址，一个用于读取寄存器值。对于msg[0]，将flags设置为0，表示写数据。msg[0]的addr是I2C设备的器件地址，msg[0]的buf成员变量就是要读取的寄存器地址。对于msg[1]，将flags设置为I2C_M_RD，表示读取数据。msg[1]的buf成员变量用于保存读取到的数据，len成员变量就是要读取的数据长度。调用i2c_transfer函数完成I2C数据读操作。

第50-66行，xxx_write_regs函数用于向I2C设备多个寄存器写数据，I2C写操作要比读操作简单一点，因此一个i2c_msg即可。数组b用于存放寄存器首地址和要发送的数据，第59行设置msg的addr为I2C器件地址。第60行设置msg的flags为0，也就是写数据。第62行设
置要发送的数据，也就是数组b。第63行设置msg的len为len+1，因为要加上一个字节的寄存器地址。最后通过i2c_transfer函数完成向I2C设备的写操作。

另外还有两个API函数分别用于I2C数据的收发操作，这两个函数最终都会调用i2c_transfer。

首先来看一下I2C数据发送函数i2c_master_send，函数原型如下：

int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, 
					const char *buf, 
					int count)
1
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3

函数参数和返回值含义如下：

• client：I2C设备对应的i2c_client。
• buf：要发送的数据。
• count：要发送的数据字节数，要小于64KB，因为i2c_msg的len成员变量是一个u16(无符号16位)类型的数据。
• 返回值：负值，失败；其他非负值，发送的字节数。

I2C数据接收函数为i2c_master_recv，函数原型如下：

int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, 
					char *buf, 
					int count)
1
2
3

函数参数和返回值含义如下：

• client：I2C设备对应的i2c_client。
• buf：要接收的数据。
• count：要接收的数据字节数，要小于64KB，因为i2c_msg的len成员变量是一个u16(无符号16位)类型的数据。
• 返回值：负值，失败；其他非负值，发送的字节数。

关于Linux下I2C设备驱动的编写流程就讲解到这里，重点就是i2c_msg的构建和i2c_transfer函数的调用，接下来就编写AP3216C这个I2C设备的Linux驱动。

硬件原理图分析

AP3216C的原理图如下图所示：

从上图可以看出AP3216C使用的是I2C5，其中I2C5_SCL使用的是PA11这个IO，I2C_SDA使用的是PA12这个IO。AP3216C还有个中断引脚，这里没有用到中断功能。

实验程序编写

IO修改或添加

AP3216C用到了I2C5接口。因为I2C5所使用的IO分别为PA11和PA12，所以要根据数据手册设置I2C5的pinmux的配置。如果要用到AP3216C的中断功能的话还需要初始化AP_INT对应的PE4这个 IO，本章实验不使用中断功能。因此只需要设置PA11和PA12这两个IO复用为AF4功能，ST其实已经将这个两个IO设置好了，打开stm32mp15-pinctrl.dtsi
然后找到如下内容：

示例代码41.6.1.1 I2C5的pinmux配置 
1  i2c5_pins_a: i2c5-0 { 
2      pins { 
3          pinmux = <STM32_PINMUX('A', 11, AF4)>, /* I2C5_SCL */ 
4                  <STM32_PINMUX('A', 12, AF4)>; /* I2C5_SDA */ 
5          bias-disable; 
6          drive-open-drain; 
7          slew-rate = <0>; 
8      }; 
9  }; 
10 
11 i2c5_pins_sleep_a: i2c5-1 { 
12     pins { 
13         pinmux = <STM32_PINMUX('A', 11, ANALOG)>, /* I2C5_SCL */ 
14                 <STM32_PINMUX('A', 12, ANALOG)>; /* I2C5_SDA */
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16     }；
17 }；
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示例代码41.6.1.1中，定义了I2C5接口的两个pinmux配置分别为：i2c5_pins_a和i2c5_pins_sleep_a。第一个默认的状态下使用，第二个是在sleep状态下使用。

在i2c5节点追加ap3216c子节点

接着打开stm32mp157d-atk.dts文件，通过节点内容追加的方式，向i2c5节点中添加“ap3216c@1e”子节点，节点如下所示：

示例代码41.6.1.2 向i2c5追加ap3216c子节点 
1  &i2c5 { 
2      pinctrl-names = "default", "sleep"; 
3      pinctrl-0 = <&i2c5_pins_a>; 
4      pinctrl-1 = <&i2c5_pins_sleep_a>; 
5      status = "okay"; 
6 
7      ap3216c@1e { 
8          compatible = "alientek,ap3216c"; 
9          reg = <0x1e>; 
10     }; 
11 };
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第2-4行，给I2C5节点设置了pinmux配置。

第7行，ap3216c子节点，@后面的“1e”是ap3216c的器件地址。

第8行，设置compatible值为“alientek,ap3216c”。

第9行，reg属性也是设置ap3216c器件地址的，因此reg设置为0x1e。

设备树修改完成以后使用“make dtbs”重新编译一下，然后使用新的设备树启动Linux内核。/sys/bus/i2c/devices目录下存放着所有I2C设备，如果设备树修改正确的话，会在/sys/bus/i2c/devices目录下看到一个名为“0-001e”的子目录，如下图所示：

上图中的“0-001e”就是ap3216c的设备目录，“1e”就是ap3216c器件地址。进入0-001e目录，可以看到“name”文件，name文件保存着此设备名字，在这里就是“ap3216c”。

AP3216C驱动编写

需要先创建一个ap3216creg.h文件，是一个寄存器头文件，要在其中保存寄存器的地址。

ap3216c.c就是正式的驱动程序。

首先创建设备结构体，与之前的字符设备区别就是，需要添加一个i2c_client结构体指针*client表示i2c设备，以及最后要添加光传感器的unsigner short变量ir,als,ps。

接着编写ap3216c_read_regs来读取寄存器数据，这个与之前源码解读中的内容是很类似的，创建一个i2c_msg结构体类型的数组msg[2]，msg[0]用来保存发送的首地址，msg[1]保存接收的首地址；然后调用i2c_transfer进行传输。

编写ap3216c_write_regs来写入寄存器，同样创建一个i2c_msg结构体类型的msg，并定义一个u8的b[256]数组，其保存寄存器首地址，并通过memcpy把数据拷贝到b中；msg则是设子ap3216c的地址，标记，buf就是刚才的b，写入长度是len+1(还有寄存器地址需要写入)，最后直接return出来i2c_transfer。

然后进行封装，ap3216c_read_reg里面调用刚写好的ap3216c_read_regs；ap3216c_write_reg调用ap3216c_write_regs。

之后编写ap3216c_readdata来读取AP3216C的数据，这里就是要注意数据读取需要有大于112.5ms的时间间隔，这边应该就是根据这个传感器的手册来编写的读取的函数。

接着编写ap3216c_open这个打开设备的函数，首先要通过filp获取cdev指针，再通过cdev获取ap3216c_dev的首地址；然后就是通过ap3216c_write_reg进行传感器的初始化。

接着编写ap3216c_read从设备读取数据，同样的方法获取ap3216c_dev的首地址之后，通过ap3216c_readdata读取，然后传入自定义的short类型的data[3]数组，之后copy_to_user读取。

关闭设备就是release函数，里面直接return 0就可以。

操作函数集file_operations就是open、read和release函数。

接着就是probe函数ap3216c_probe，里面需要通过devm_kzalloc申请ap3216cdev的空间，然后就是注册字符设备驱动的常规操作，alloc_chrdev_region创建设备号，然后ap3216cdev->cdev.owner就是THIS_MODULE，cdev_init初始化cdev，cdev_add添加cdev，然后class_create创建类，device_create创建设备；区别是，最后要i2c_set_clientdata保存一下ap3216cdev结构体。

驱动的remove函数，需要先i2c_get_clientdata获取cdev，然后就是老样子cdev_del删除cdev，unregister_chrdev_region注销设备号，device_destroy注销设备然后class_destroy注销类。

建立一个ID的匹配列表，i2c_device_id结构体类型的ap3216c_id[]的数组，里面就是匹配的"alientek,ap3216c"；还有一个of_device_id结构体类型的ap3216c_of_match[]数组保存.compatible属性。

建立i2c驱动结构体i2c_driver结构体类型的ap3216c_driver，保存.probe和.remove函数，.driver就是.owner属性，.name以及.of_match_table属性，最后要加一个.id_table。(这里如果使用设备树，这个id_table是可以不用的，那个是传统的没有设备数的时候才需要的)

最后就是驱动的入口和出口函数，这里分别是ap3216c_init调用i2c_add_driver；以及ap3216c_exit调用i2c_del_driver。

最最后面就是module_init和module_exit，以及MODULE_LICENSE、MODULE_AUTHER以及MODULE_INFO。

编写测试APP

传入的argc是2个。

filename=argv[1]之后，open打开字符设备，然后通过while(1)死循环，read得到数据并分别把3个传感器数据保存，死循环外面再加一个close即可。

运行测试

编译驱动程序

这里还是一样，就把Makefile的obj-m改成ap3216c.o，然后“make”就可以了。

编译测试APP

可以通过如下命令：

运行测试

将上一小节编译出来ap3216c.ko和ap3216cApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31中。输入如下命令加载ap3216c.ko这个驱动模块：

加载成功以后，可以通过如下命令测试：

测试APP会不断从AP3216C中读取数据，并打印到终端，如下图所示：

总结

与裸机开发还是有所区别，在裸机开发的时候，当时的说法是IIC因为专利等问题，一般都是不会直接用硬件IIC的，当时是直接手动GPIO来软件实现IIC的。

在STM32MP1这边，I2C就是直接采用硬件I2C，需要关注的就是怎么在设备树中添加i2c节点，然后驱动程序的写法就可以了。

pinctrl一般都是会有写好的，就是要在自己的设备树里面添加对应的i2c节点。

驱动程序中，具体的传感器读取，需要参考传感器的使用文档，I2C的读写在本篇笔记中是有一个模板的，只要把他搬过去就可以了；至于驱动程序的其他部分，基本就是字符设备的基本驱动代码，区别就是获取设备首地址的时候，要先通过cdev=filp->f_path.dentry->d_inode->i_cdev; 获取cdev首地址之后，再通过container_of获取传感器设备的首地址。