Linux Kernel Driver I2C 总线驱动编程_linux驱动开发——内核i2c驱动

概念

I2C 总线，为两线式串行总线。

CPU与外设之间的数据通信采用两根信号线分别是：

SDA数据线以及SCL时钟控制信号线。

SDA：用于CPU与外设的数据传输。

SCL：用于同步双方的数据。

CPU在SCL为低电平时，将数据放在数据线上，那么设备在同周期的高电平，从数据线上获取数据。

串行：CPU和外设之间的数据通信是一个时钟周期传输一位。

总线：在SCL和SDA两根信号线上可以挂接多个外设。

示意图，如下：

上拉电阻：两个信号线，各界上一个上拉电阻，两根线默认都是高电平。

问题

1. CPU是如何找到总线上某个具体的外设的呢？（设备地址）

2. CPU一旦找到某个具体的外设，如果通过两根线进行访问的呢？

3. SDA与SCL既然同时存在，是如何配合使用的呢？

总线控制权

SDA 可以由通信间双方进行控制。

SCL只能由CPU进行控制。

对于SDA，配置输入的一方，释放控制权；配置输出的一方，获取控制权。另，不能同时配置输出，但是可以同时配置输入，此时由上拉电阻控制。

I2C 总线协议

START 信号

又称起始信号，CPU访问总线上的某个外设，CPU先向总线上发送START信号。

至少需要两个周期：

第一个周期内：SDA 与 SCL 同为高电平。

第二个周期内：SCL 维持高电平，而SDA由高电平到低电平发生跳变。

即

SCL 保持高电平

SDA 由高电平到低电平发生跳变

STOP 信号

结束信号。CPU要结束对设备的访问，CPU发送STOP信号。

SCL 保持高电平，而SDA 由低电平到高电平跳变，表示结束信号。

设备地址与读写位

同一个总线上的各个外设，都有一个唯一的设备地址，表示设备在总线上的唯一性标志，外设的设备地址，由芯片厂家和设计原理图来决定。CPU欲访问总线上的某个外设，首先需要向该总线上发送这个设备的地址。

R/W读写位，如果是写设备，读写位为 0，读设备，读写位为 1.

注意，设备地址并不包括读写位，将读写位去除后，地址右移1位，高位补0，得到设备地址。

如：

读设备地址： 1010001

写设备地址： 1010000

实际的设备地址： 0101000

但是实际手册给出来的是这样的：

比如：

1 0 1 0 (A2) (A1) (A0) 0/1:

A2 A1 A0 位 接 上拉电阻而未接地  或者 接入高电平 那么该 3 bit 都取 1.

否则，如果都接地，那么都取 0. 那么得到设备地址

0 1 0 1 0 0 0 0 : 也就是  0X50 .

ACK 应答信号

用于表示CPU和外设的一个交互的状态，表示CPU与外设进行通信时是否发生了错误，低电平为有效的ACK信号。

I2C 总线数据传输一次性只能传1个字节，一个周期，只能传 1个bit，从高位开始。

具体的操作，要看芯片手册时序图。

Linux内核I2C总线驱动

I2C总线的硬件其实本身包括两部分：

I2C硬件控制器(集成CPU内部)，I2C外设本身

Linux内核对于I2C总线提出两种驱动

I2C总线驱动

操作硬件就是I2C总线硬件控制器

仅仅负责发起硬件的操作时序,例如：START->设备地址|读写位->[ACK]->片内地址->[ACK]->片内数据->...

其中：

START信号，读写位，ACK,STOP信号都是标准的,固定的！

标准的信号硬件控制器能够自己产生！

但是设备地址，片内地址，片内数据是动态改变的，不确定的

这三个数据必须由用户来提供！用户需要将这三个数据告诉I2C总线驱动，来完成完整的传输过程

注意：I2C总线驱动都是由CPU的芯片厂家提供,驱动开发者只需配置内核支持I2C总线驱动即可：

make menuconfig

里面去选择 Device Driver --> I2C SUPPORT

I2C设备驱动

管理的硬件仅仅是I2C外设本身

要给I2C总线提供三个重要的数据：设备地址，片内地址，片内数据

因为这三个对于I2C外设本身具有一定的意义和含义

将来I2C设备驱动将这三个数据发送给I2C总线驱动，I2C总线驱动完成最终的传输过程

此驱动是驱动开发的重点！

Linux内核I2C总线驱动框架

应用层(驱动开发者完成)

open,read,write,ioctl等对I2C外设进行读写操作

I2C设备驱动层（驱动开发者完成）

SMBUS接口层(内核实现)

本质上就是I2C设备驱动和I2C总线驱动的一个桥梁 

I2C总线驱动层（芯片厂家实现）

从I2C设备驱动层获取要访问的数据，最终操作硬件完成硬件的传输

问：如何实现linux内核I2C设备驱动程序呢？

明确：I2C设备驱动操作的硬件仅仅是I2C外设本身，获取用户要访问的数据,利用SMBUS提供的接口将数据丢给I2C总线驱动

I2C设备驱动的实现还是依赖：设备-总线-驱动编程模型

具体实现过程

1.内核已经帮你定义好了一个虚拟总线i2c_bus_type

数据类型：struct bus_type

并且在这个总线上维护这两个链表：dev链表和drv链表

2.dev链表上每一个节点描述的I2C外设的硬件信息，对应节点的数据结构为 struct i2c_client,每当向dev链表添加一个I2C外设的硬件信息时，驱动只需要用i2c_client定义初始化和注册一个节点到dev链表即可，内核会帮你遍历drv链表，取出drv链表上每一个节点和这个硬件节点进行匹配，匹配通过      调用总线提供的match函数，match函数通过比较硬件节点i2c_client的name和软件节点i2c_driver的id_table的name，如果匹配成功，内核调用i2c_driver的probe函数，然后把匹配成功的硬件节点的首地址传递给probe函数，如果匹配不成功，没关系，起码硬件信息添加完成，静静等待着软件节点的到来

3.drv链表上每一个节点描述的I2C外设的软件信息，对应节点的数据结构为struct i2c_driver,每当向drv链表添加一个I2C外设的软件信息时，驱动只      需要用i2c_driver定义初始化和注册一个节点到drv链表即可，内核会帮你遍历dev链表，取出dev链表上每一个节点和这个软件节点进行匹配，匹配通过调用总线提供的match函数，match函数通过比较硬件节点i2c_client的name和软件节点i2c_driver的id_table的name，如果匹配成功，内核调用i2c_driver的probe函数，然后把匹配成功的硬件节点的首地址传递给probe函数，如果匹配不成功，没关系，起码软件信息添加完成，静静等待着硬件节点的到来

4.probe函数至于做什么事，完全由驱动开发者来决定

结论：如果要实现I2C设备驱动只需要关注：

struct i2c_client

struct i2c_driver

切记切记：i2c外设的硬件信息的代码必须在平台代码中完成，不能动态加载和卸载

i2c_client

 addr: I2C外设的设备地址

name: 硬件节点的名称，用于匹配

dev: 重点关注dev的void *platform_data，用来装载自定义的硬件信息

irq: 装载中断号

作用：描述I2C外设的硬件信息

切记：其中addr和name字段必须要进行初始化

说明：i2c_client不像platform_device，由驱动直接定义初始化和注册,需要利用另外一个数据结构来间接定义初始化和注册一个i2c_client,这个数据结构为：struct i2c_board_info

i2c_client 代表了一个外设的硬件，而 i2c_driver 是该外设硬件对象的“行为”，这是Linux 内核内部面向对象编程的一般方式。 

i2c_board_info

 type: 用于指定硬件信息的名称,将来这个字段会赋值给i2c_client的name

addr: 保存I2C外设的设备地址，将来这个字段会赋值给i2c_client的addr

platform_data: 装载自定义的硬件信息，将来会赋值给i2c_client的dev的platform_data

irq: 中断号，会赋值给i2c_client的irq

作用：用来指定I2C外设的硬件信息,将来内核根据这个硬件信息来间接定义初始化和注册一个i2c_client

注意：如果将来向内核添加一个i2c外设的硬件信息，现在无需对i2c_client进    行直接定义，初始化和注册，只需对i2c_board_info进行定义初始化和注册即可,将来内核会根据你注册的硬件信息会帮你定义初始化和注册i2c_client

i2c设备驱动添加硬件信息的编程步骤

切记切记：i2c外设的硬件信息的代码必须在平台代码中完成，不能动态加载和卸载

1. 需要在平台代码中，添加以下对象

2. 在平台代码的某个函数中进行注册硬件信息到内核，注册的方法：

int i2c_register_board_info(int busnum, struct i2c_board_info const *info, unsigned len)

功能：注册I2C外设硬件信息到内核

busnum:I2C外设所在的总线编号，通过原理图获取所在的总线编号

info:定义初始化的i2c_board_info对象

len：硬件信息的个数

结果：一旦完成I2C外设的注册，将来内核根据以上信息会帮你定义初始化和注册一个i2c_client

i2c_driver

要编 image ，不能动态加载卸载，没开发板，就罢了，试验就罢了...

platform和i2c

platform分离机制能够应用于任何一个硬件设备！

i2c分离机制仅仅应用于硬件接口为I2C接口的硬件设备！

IO空间和内存空间

对于X86架构,支持两类总线,一类总线的位宽为16位，地址空间为64K,这个地址空间又称IO空间,如果把一个外设连接到这类总线，CPU访问这个外设只能通过in,out两条特殊的指令；还有另一个类总线位宽为32位，地址空间为4G，这个地址空间又称内存空间，如果把一个外设连接到这类总线上，CPU访问这个外设通过地址指针的形式访问即可；以上两个地址空间CPU能够直接寻址！

对于ARM架构，没有IO空间，只有内存空间！

所以如果将来要访问某个外设，一定一定要搞清楚这个外设的地址！一旦搞定这个外设的地址，软件只需利用指针的形式访问即可！

外设的地址如何确定呢？

通过芯片手册和原理图

但凡是外置的芯片，芯片内部的寄存器地址,CPU一律不允许按地址指针的形式直接去访问，必须间接访问(采用I2C总线)