Linux驅動子系統之I2C（一）
1 硬體特性
1.1 概述
I2C匯流排是由Philips公司開發的兩線式序列匯流排，這兩根線為時鐘線(SCL)和雙向資料線(SDA)。由於I2C匯流排僅需要兩根線，因此在電路板上佔用的空間更少，帶來的問題是頻寬較窄。I2C在標準模式下傳輸速率最高100Kb/s，在快速模式下最高可達400kb/s。屬於半雙工。在嵌入式系統中，I2C應用非常廣泛，大多數微控制器中集成了I2C匯流排，一般用於和RTC，EEPROM，智慧電池電路，感測器，LCD以及其他類似裝置之間的通訊。I2C匯流排時鐘都是由I2C主控器提供。
1.2 I2C匯流排傳輸時序
1.3 I2C匯流排的訊號狀態
1、 空閒狀態：SDA和SCL都是高電平；
2、 開始條件(S)：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳輸資料；
3、 結束條件(P)：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳輸資料；
4、 資料有效：在SCL的高電平期間，SDA保持穩定，資料有效。SDA的改變只能發生在SCL的低電平期間；
5、 ACK訊號：資料傳輸的過程中，接收器件每接收一個位元組資料要產生一個ACK訊號，向傳送器件發出特定的低電平脈衝，表示已經收到資料。
讀暫存器的標準流程為：
1. Master傳送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2. Slave傳送ACK
3. Master傳送reg addr（8bit），等待ACK
4. Slave傳送ACK
5. Master發起START
6. Master傳送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7. Slave傳送ACK
8. Slave傳送data（8bit），即暫存器裡的值
9. Master傳送ACK
10. 第8步和第9步可以重複多次，即順序讀多個暫存器
10bit地址
10bit的定址擴充套件可能定址的數目.有7bit地址和10bit地址的裝置可以連線到相同的I2C總線上,而且7bit定址和10bit定址都可以用在所有的匯流排速度模式下.不過,10bit定址用的不多.
10bit的從機地址由開始條件(S)或重複開始條件(Sr)後的兩個位元組組成.第一個位元組的前7位是1111 0XX,XX是10bit地址的最高有效位的前兩位.第一個位元組的第8bit是讀寫位,決定傳輸方向.
儘管1111 XXX有8種可能的組合,然後只有1111 0XX這四種可以用於10bit定址.剩下的1111 1XX這四種是為將來I2C擴充套件用的.
1.4 從裝置地址
從datasheet發現，有三個IO口確定I2C從裝置地址後三位，I2C匯流排從裝置使用7位地址，最後一個為讀寫控制位。下圖是TVP5158的原理圖，我們可以計算出它的地址，在讀取SII9135A的時候，手冊上寫得是0X60、0X68，這是8位，前7位有效，所以真實的I2C地址為0x30、0x34，第八位代表讀寫。
1.5 I2C讀寫方式
下面I2C寫操作的步驟：
多位元組寫的時序
下面是I2C讀操作的步驟：
多位元組讀的時序
具體可參考datasheet
2 I2C子系統
2.1 LinuxI2C子系統架構
在核心中已經提供I2C子系統，所以在做I2C驅動之前，就必須要熟悉該子系統。
2.2 三大組成部分
1、I2C核心(i2c-core)
I2C核心提供了I2C匯流排驅動和裝置驅動的註冊、登出方法，I2C通訊方法(algorithm)上層的、與具體介面卡無關的程式碼以及探測裝置、檢測裝置地址的上層程式碼等。
2、I2C匯流排驅動(I2Cadapter/Algo driver)
I2C匯流排驅動是I2C介面卡的軟體實現，提供I2C介面卡與從裝置間完成資料通訊的能力。
I2C匯流排驅動由i2c_adapter和i2c_algorithm來描述
3、I2C客戶驅動程式(I2Cclient driver)
I2C客戶驅動是對I2C從裝置的軟體實現，一個具體的I2C客戶驅動包括兩個部分：一部分是i2c_driver，用於將裝置掛接於i2c匯流排；另一部分是裝置本身的驅動。
I2C客戶驅動程式由i2c_driver和i2c_client來描述
2.3 所有的I2C驅動程式碼位於drivers/i2c目錄下
I2c-core.c 實現I2C核心的功能
I2c-dev.c 通用的從裝置驅動
Chips 特定的I2C裝置驅動
Busses I2C介面卡的驅動
Algos 實現了一些I2C匯流排介面卡的algorithm
2.4 I2C驅動編寫的兩種方法
從上面的圖我們可以看到兩種編寫驅動方法，一種是利用系統提供的i2c-dev.c來實現一個i2c介面卡的裝置檔案，然後通過在應用層操作I2C介面卡來控制I2C裝置；另一種是為I2C從裝置獨立編寫一個裝置驅動，不需要i2c-dev.c檔案。
2.5 重要的資料結構
每次分析子系統免不了分析它的資料結構，OK我們先來分析一下。
I2c_adapter結構體代表I2C匯流排控制器
struct i2c_adapter { struct module *owner; unsigned int class; /*classes to allow probing for */ const struct i2c_algorithm*algo; /* 總線上資料傳輸的演算法*/ void *algo_data; /* algorithm 資料 */ int timeout; /* injiffies */ int retries; /* 重試次數 */ struct device dev; /* the adapter device */ int nr; char name[48]; /* 介面卡名字 */ struct completion dev_released; /* 用於同步 */ };
I2c_algorithm對應一套通訊方法
struct i2c_algorithm { int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, intnum); int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr, unsigned short flags, charread_write, u8 command, int size, unioni2c_smbus_data *data); u32 (*functionality) (structi2c_adapter *); };
Functionality 函式用於返回algorithm所支援的通訊協議，比如I2C_FUNC_I2C,I2C_FUNC_10BIT_ADDR等。
smbus_xfer 函式SMBus傳輸函式指標，SMBus大部分基於I2C匯流排規範，SMBus不需增加額外引腳。與I2C匯流排相比，SMBus增加了一些新的功能特性，在訪問時序也有一定的差異。
Master_xfer 函式實現總線上資料傳輸，與具體的介面卡有關
Master_xfer 函式實現模板:
static int i2c_adapter_xxx_xfer(structi2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num) { ...... for (i = 0; i < num; i++) { i2c_adapter_xxx_start(); /*產生起始位*/ if (msgs[i]->flags & I2C_M_RD) { /*讀取*/ i2c_adapter_xxx_setaddr((msg->addr << 1) | 1); /*傳送從裝置地址*/ i2c_adapter_xxx_wait_ack(); /*獲得從裝置的ACK*/ i2c_adapter_xxx_readbytes(msgs[i]->buf,msgs[i]->len); /*讀取len長度的資料到buf中*/ } else { i2c_adapter_xxx_setaddr(msg->addr << 1); i2c_adapter_xxx_wait_ack(); i2c_adapter_xxx_writebytes(msgs[i]->buf, msgs[i]->len); } } i2c_adapter_xxx_stop(); /*產生停止位*/ }
上面呼叫的函式用於完成介面卡的底層硬體操作，與I2C介面卡和CPU的具體硬體直接相關，需要由工程師根據晶片的資料手冊來實現。在核心原始碼中，針對不同的I2C介面卡都有master_xfer的實現，風格與模板不盡相同，但是可以用該模板作為參考來看原始碼，受益匪淺。
I2c_driver代表I2C從裝置驅動
struct i2c_driver { unsignedint class; int(*attach_adapter)(struct i2c_adapter *) __deprecated; /*依附i2c介面卡函式指標*/ int(*detach_adapter)(struct i2c_adapter *) __deprecated;/*脫離i2c介面卡函式指標*/ int (*probe)(struct i2c_client*, const struct i2c_device_id *); int (*remove)(struct i2c_client*); int(*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg); int(*resume)(struct i2c_client *); void(*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data); int(*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg); struct device_driver driver; const struct i2c_device_id*id_table; /* 該驅動所支援的裝置ID表 */ /*Device detection callback for automatic device creation */ int(*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *); constunsigned short *address_list; structlist_head clients; };
在新核心中，attach_adapter和detach_adapter已經被probe和remove取代
Id_table用於i2c_driver和i2c_client的匹配
I2c_client代表I2C從裝置
struct i2c_client { unsigned short flags; /*I2C_CLIENT_TEN：使用10位從地址，I2C_CLIENT_PEC：使用SMBus包錯誤檢測*/ unsignedshort addr; /* chipaddress - NOTE: 7bit */ charname[I2C_NAME_SIZE]; struct i2c_adapter *adapter; /* 依附的i2c_adapter */ struct i2c_driver *driver; /* 依附的i2c_driver*/ structdevice dev; /* the devicestructure */ intirq; /* irq issuedby device */ structlist_head detected; };
2.6 核心層提供的介面函式
1、 增加/刪除I2C介面卡
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)->static int i2c_register_adapter(struct i2c_adapter *adap)
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)
static int i2c_register_adapter(struct i2c_adapter *adap) { int res = 0; /* Can't register until after driver model init */ if (unlikely(WARN_ON(!i2c_bus_type.p))) { res = -EAGAIN; goto out_list; } /* Sanity checks */ if (unlikely(adap->name[0] == '\0')) { pr_err("i2c-core: Attempt to register an adapter with " "no name!\n"); return -EINVAL; } if (unlikely(!adap->algo)) { pr_err("i2c-core: Attempt to register adapter '%s' with " "no algo!\n", adap->name); return -EINVAL; } rt_mutex_init(&adap->bus_lock); mutex_init(&adap->userspace_clients_lock); INIT_LIST_HEAD(&adap->userspace_clients); /* Set default timeout to 1 second if not already set */ if (adap->timeout == 0) adap->timeout = HZ; dev_set_name(&adap->dev, "i2c-%d", adap->nr); adap->dev.bus = &i2c_bus_type; adap->dev.type = &i2c_adapter_type; res = device_register(&adap->dev); if (res) goto out_list; dev_dbg(&adap->dev, "adapter [%s] registered\n", adap->name); #ifdef CONFIG_I2C_COMPAT res = class_compat_create_link(i2c_adapter_compat_class, &adap->dev, adap->dev.parent); if (res) dev_warn(&adap->dev, "Failed to create compatibility class link\n"); #endif /* create pre-declared device nodes */ if (adap->nr < __i2c_first_dynamic_bus_num) i2c_scan_static_board_info(adap); /* Notify drivers */ mutex_lock(&core_lock); bus_for_each_drv(&i2c_bus_type, NULL, adap, __process_new_adapter); mutex_unlock(&core_lock); return 0; out_list: mutex_lock(&core_lock); idr_remove(&i2c_adapter_idr, adap->nr); mutex_unlock(&core_lock); return res; }
Device_register(&adap->dev) 向I2C匯流排註冊一個adapter裝置
i2c_scan_static_board_info(adap) 註冊所有已知的i2c_client
2、 增加/刪除I2C從裝置驅動
int i2c_add_driver(struct i2c_driver *driver)->int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)
/* * An i2c_driver is used with one or more i2c_client (device) nodes to access * i2c slave chips, on a bus instance associated with some i2c_adapter. */ int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver) { int res; /* Can't register until after driver model init */ if (unlikely(WARN_ON(!i2c_bus_type.p))) return -EAGAIN; /* add the driver to the list of i2c drivers in the driver core */ driver->driver.owner = owner; driver->driver.bus = &i2c_bus_type; /* When registration returns, the driver core * will have called probe() for all matching-but-unbound devices. */ res = driver_register(&driver->driver); if (res) return res; pr_debug("i2c-core: driver [%s] registered\n", driver->driver.name); INIT_LIST_HEAD(&driver->clients); /* Walk the adapters that are already present */ mutex_lock(&core_lock); bus_for_each_dev(&i2c_bus_type, NULL, driver, __process_new_driver); mutex_unlock(&core_lock); return 0; } EXPORT_SYMBOL(i2c_register_driver);
向I2C匯流排註冊一個i2c_driver
3、 i2c傳輸，傳送和接收
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg*msgs, int num)
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, constchar *buf, int count)
int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char*buf, int count)
/** * i2c_transfer - execute a single or combined I2C message * @adap: Handle to I2C bus * @msgs: One or more messages to execute before STOP is issued to * terminate the operation; each message begins with a START. * @num: Number of messages to be executed. * * Returns negative errno, else the number of messages executed. * * Note that there is no requirement that each message be sent to * the same slave address, although that is the most common model. */ int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num) { unsigned long orig_jiffies; int ret, try; /* REVISIT the fault reporting model here is weak: * * - When we get an error after receiving N bytes from a slave, * there is no way to report "N". * * - When we get a NAK after transmitting N bytes to a slave, * there is no way to report "N" ... or to let the master * continue executing the rest of this combined message, if * that's the appropriate response. * * - When for example "num" is two and we successfully complete * the first message but get an error part way through the * second, it's unclear whether that should be reported as * one (discarding status on the second message) or errno * (discarding status on the first one). */ if (adap->algo->master_xfer) { #ifdef DEBUG for (ret = 0; ret < num; ret++) { dev_dbg(&adap->dev, "master_xfer[%d] %c, addr=0x%02x, " "len=%d%s\n", ret, (msgs[ret].flags & I2C_M_RD) ? 'R' : 'W', msgs[ret].addr, msgs[ret].len, (msgs[ret].flags & I2C_M_RECV_LEN) ? "+" : ""); } #endif if (in_atomic() || irqs_disabled()) { ret = i2c_trylock_adapter(adap); if (!ret) /* I2C activity is ongoing. */ return -EAGAIN; } else { i2c_lock_adapter(adap); } /* Retry automatically on arbitration loss */ orig_jiffies = jiffies; for (ret = 0, try = 0; try <= adap->retries; try++) { ret = adap->algo->master_xfer(adap, msgs, num); if (ret != -EAGAIN) break; if (time_after(jiffies, orig_jiffies + adap->timeout)) break; } i2c_unlock_adapter(adap); return ret; } else { dev_dbg(&adap->dev, "I2C level transfers not supported\n"); return -EOPNOTSUPP; } } EXPORT_SYMBOL(i2c_transfer);
最終會呼叫到介面卡實現的master_xfer函式來完成資料傳輸工作
2.6 I2C子系統初始化
struct bus_type i2c_bus_type = { .name = "i2c", .match = i2c_device_match, .probe = i2c_device_probe, .remove = i2c_device_remove, .shutdown = i2c_device_shutdown, .pm = &i2c_device_pm_ops, }; EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_bus_type); ////////////////////////////// static int __init i2c_init(void) { int retval; retval = bus_register(&i2c_bus_type); if (retval) return retval; #ifdef CONFIG_I2C_COMPAT i2c_adapter_compat_class = class_compat_register("i2c-adapter"); if (!i2c_adapter_compat_class) { retval = -ENOMEM; goto bus_err; } #endif retval = i2c_add_driver(&dummy_driver); if (retval) goto class_err; return 0; class_err: #ifdef CONFIG_I2C_COMPAT class_compat_unregister(i2c_adapter_compat_class); bus_err: #endif bus_unregister(&i2c_bus_type); return retval; } static void __exit i2c_exit(void) { i2c_del_driver(&dummy_driver); #ifdef CONFIG_I2C_COMPAT class_compat_unregister(i2c_adapter_compat_class); #endif bus_unregister(&i2c_bus_type); } /* We must initialize early, because some subsystems register i2c drivers * in subsys_initcall() code, but are linked (and initialized) before i2c. */ postcore_initcall(i2c_init); module_exit(i2c_exit);
3 i2c-dev
3.1 概述
之前在介紹I2C子系統時，提到過使用i2c-dev.c檔案在應用程式中實現我們的I2C從裝置驅動。不過，它實現的是一個虛擬，臨時的i2c_client，隨著裝置檔案的開啟而產生，並隨著裝置檔案的關閉而撤銷。I2c-dev.c針對每個I2C介面卡生成一個主裝置號為89的裝置檔案，實現了i2c_driver的成員函式以及檔案操作介面，所以i2c-dev.c的主題是”i2c_driver成員函式+字元裝置驅動”。
3.2 i2c-dev.c原始碼分析
初始化模組
static int __init i2c_dev_init(void) { res= register_chrdev(I2C_MAJOR, "i2c", &i2cdev_fops); i2c_dev_class= class_create(THIS_MODULE, "i2c-dev"); /*Keep track of adapters which will be added or removed later */ res= bus_register_notifier(&i2c_bus_type, &i2cdev_notifier); /*繫結已經存在的介面卡 */ i2c_for_each_dev(NULL,i2cdev_attach_adapter); }
I2c-dev初始化函式主要做了註冊名為”i2c”的字元裝置檔案和”i2c-dev”的類
i2cdev_read和i2cdev_write
I2c-dev.c中實現的i2cdev_read和i2cdev_write函式不具有太強的通用性，只適合下面這種單開始訊號情況：
而不適合多開始訊號的情況：
所以我們經常會使用i2cdev_ioctl函式的I2C_RDWR，在分析i2cdev_ioctl函式之前，我們需要了解一個結構體：
/* This is the structure as used in theI2C_RDWR ioctl call */ struct i2c_rdwr_ioctl_data { structi2c_msg __user *msgs; /* pointersto i2c_msgs */ __u32nmsgs; /* number ofi2c_msgs */ };
Msgs 表示單個開始訊號傳遞的資料；
Nmsgs 表示有多少個msgs，比如上圖，單開始訊號時，nmsgs等於1；多開始訊號時，nmsgs等於2
struct i2c_msg { __u16addr; /* slave address */ __u16flags; /* 預設為寫入 */ #define I2C_M_TEN 0x0010 /*this is a ten bit chip address */ #define I2C_M_RD 0x0001 /* read data,from slave to master */ #define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */ #define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /*if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */ #define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /*if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */ #define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */ #define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */ __u16len; /* msg length */ __u8*buf; /* pointer to msgdata */ };
使用i2cdev_ioctl函式的I2C_RDWR指令會呼叫到i2cdev_ioctl_rdrw函式：
static noinline int i2cdev_ioctl_rdrw(struct i2c_client *client, unsignedlong arg) { structi2c_rdwr_ioctl_data rdwr_arg; structi2c_msg *rdwr_pa; u8__user **data_ptrs; inti, res; if(copy_from_user(&rdwr_arg, (struct i2c_rdwr_ioctl_data __user *)arg, sizeof(rdwr_arg))) return-EFAULT; if(rdwr_arg.nmsgs > I2C_RDRW_IOCTL_MAX_MSGS) return-EINVAL; rdwr_pa= kmalloc(rdwr_arg.nmsgs * sizeof(struct i2c_msg), GFP_KERNEL); if(copy_from_user(rdwr_pa, rdwr_arg.msgs, rdwr_arg.nmsgs * sizeof(struct i2c_msg))) { kfree(rdwr_pa); return-EFAULT; } res= i2c_transfer(client->adapter, rdwr_pa, rdwr_arg.nmsgs); while(i-- > 0) { if(res >= 0 && (rdwr_pa[i].flags & I2C_M_RD)) { if(copy_to_user(data_ptrs[i], rdwr_pa[i].buf, rdwr_pa[i].len)) res= -EFAULT; } kfree(rdwr_pa[i].buf); } }
咋一看，還挺複雜，其實主要做了一件事情：把使用者空間傳遞過來的i2c_rdwr_ioctl_data資料進行錯誤檢查，然後呼叫i2c_transfer函式與介面卡進行通訊，如果是接收資料，程式碼會將訪問到的資料傳回i2c_rdwr_ioctl_data的buf中。I2c_transfer最終會呼叫到I2C介面卡具體實現的master_xfer函式來與硬體進行通訊。
3.3 使用者空間驅動模板
#include <sys/ioctl.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <stdio.h> #include <linux/i2c.h> #include <linux/i2c-dev.h> #define OSA_SOK 0 ///< Status : OK #define OSA_EFAIL -1 ///< Status : Generic error #define I2C_DEFAULT_INST_ID (2)相關推薦
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2.3.4 USB USB（通用序列匯流排）是Intel、Microsoft等廠商為解決計算機外設種類的日益增加與有限的主機板插槽和埠之間的矛盾於1995年提出的，它具有資料傳輸率高、易擴充套件、支援即插即用和熱插拔的優點。 USB 1.1包含全速和低速兩種模式，
伺服器開發之linux網路程式設計---學習章節（一）
前言： 近期學習了伺服器相關的開發，平常主要擼c的程式，所以就下定決心研究了c的伺服器開發，目的也在與鞏固c的基本知識。詳細分享如下，若有錯誤請指正，希望與大家探討，共同學習進步。