Linux內(nèi)核中I2C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

第第頁Linux內(nèi)核中I2C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路[導(dǎo)讀]本文通過閱讀內(nèi)核代碼，來梳理一下（I2C）子系統(tǒng)的整體視圖。在開發(fā)I2C設(shè)備驅(qū)動程序時(shí)，往往缺乏對于系統(tǒng)整體的認(rèn)識，沒有一個(gè)清晰的思路。所以從高層級來分析一下I2C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，將有助于設(shè)計(jì)調(diào)試具體的驅(qū)動程序。

I2C/SMBUS基礎(chǔ)

I2C是一種（芯片）間通訊（總線技術(shù)），最早由Philips設(shè)計(jì)制定。下面內(nèi)容參考I2C2.1規(guī)格書

半雙工（通信）方式，通信采用主/從結(jié)構(gòu)

支持多主模式，下圖來源于I2C2.1規(guī)格書

其內(nèi)部（電氣）實(shí)現(xiàn)采用集電極開路(Open-collector)/漏極開路(open-drain)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)線與功能，這是總線的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，多芯片通過查詢總線狀態(tài)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)仲裁以實(shí)現(xiàn)總線控制。

總線（信號）由兩線實(shí)現(xiàn)，串行（時(shí)鐘）線SCL(SerialClockLine)/串行數(shù)據(jù)線（SD）A(serialDataLine)。

具有三種通訊速率模式：

standardmode:0-100kbps

(bps:bit/s)

Fastmode：0-400kbps

High-speedmode:0-3.4Mbps

可支持混速模式

不同的速率在（硬件）設(shè)計(jì)時(shí)需要注意信號的完整性，I2C總線等效（電容）Cx，主要需要考慮（PCB）布線，以及上拉（電阻）選取。

支持7bit/10bit兩種芯片地址模式

I2C總線電氣特性，這個(gè)非常重要，須嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性

SMBUS(systemmanagementbus)。大多數(shù)SMBus系統(tǒng)也符合I2C，電氣約束對于SMBus更為嚴(yán)格，并且它標(biāo)準(zhǔn)化了特定的協(xié)議消息和習(xí)慣用語。支持I2C的（控制器）也可以支持大多數(shù)SMBus操作，但是SMBus控制器并不支持I2C控制器將支持的所有協(xié)議選項(xiàng)。通過使用I2C原語或通過向不支持這些I2C操作的i2c_（ad）apter設(shè)備發(fā)出SMBus命令，可以執(zhí)行各種SMBus協(xié)議操作。

I2Cbus(In（te）r-IntegratedCircuitbus)https://www.i2c-bus.（or）g/

I2C在（Linux）設(shè)備中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在PC體系中，大體如下拓?fù)洌?/p>

PC體系中通過橋接芯片，擴(kuò)展出PCI,在由PCI擴(kuò)展出I2C適配器，進(jìn)而得到I2C總線，或者橋接芯片直接擴(kuò)展出SMBUS/I2C總線。

在（嵌入式）應(yīng)用中，則可能為：

嵌入式應(yīng)用中，則可能更多的情況是處理器內(nèi)置了I2C/SMBUS總線控制器，直接可得到I2C/SMBUS總線。（嵌入式系統(tǒng)）中常常會設(shè)計(jì)很多（傳感器）掛載在I2C總線上，比如溫度（檢測），壓力檢測等等，又或者諸如電容觸摸屏、（電源管理）（IC）等等。

代碼實(shí)現(xiàn)

I2C的core實(shí)現(xiàn)位于./drivers/i2c/下，實(shí)現(xiàn)了I2C總線設(shè)備以及驅(qū)動（適配器）和設(shè)備驅(qū)動的注冊、注銷方法，I2C通信方法algorithm抽象，以及與具體硬件無關(guān)的代碼

I2C主控制器驅(qū)動位于./drivers/i2c/busses/，這里主要實(shí)現(xiàn)總線控制器，具體體現(xiàn)為i2c_adapter的實(shí)現(xiàn)。負(fù)責(zé)I2C適配器與從設(shè)備通信。I2C總線驅(qū)動由i2c_adapter和i2c_algorithm來抽象描述。

設(shè)備驅(qū)動則分散在./driver/下，這取決于具體的實(shí)現(xiàn)，種類繁多。

i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，這種方法只是封裝了主機(jī)（I2Cmaster，一般是SoC中內(nèi)置的I2C控制器）的I2C基本操作，并且向應(yīng)用層提供相應(yīng)的操作（接口），應(yīng)用層代碼需要自己去實(shí)現(xiàn)對slave的控制和操作，所以這種I2C驅(qū)動相當(dāng)于提供給應(yīng)用層可以訪問slave硬件設(shè)備的接口，本身并未對硬件做任何操作，應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。這種模式也稱為應(yīng)用驅(qū)動程序。

另一種I2C驅(qū)動是將所有的代碼都放在驅(qū)動層實(shí)現(xiàn)，直接向應(yīng)用層提供最終結(jié)果。應(yīng)用層甚至不需要知道這里面有I2C存在，譬如電容式觸摸屏驅(qū)動，直接向應(yīng)用層提供/dev/input/event1的操作接口，應(yīng)用層（編程）的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

I2C子系統(tǒng)的主要目的是，對I2C總線以及設(shè)備利用面向?qū)ο缶幊趟枷雽?shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模，以高內(nèi)聚-低（耦合）的軟件工程思想，實(shí)現(xiàn)一個(gè)分層體系結(jié)構(gòu)，以便于內(nèi)核統(tǒng)一管理I2C設(shè)備，從而可以更容易的在linux下實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備以及高可移植。

主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其內(nèi)部有幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來梳理一下：

i2c_client,用于抽象掛載在I2C總線上的從設(shè)備

i2c_driver,用于驅(qū)動掛載在I2C總線的從設(shè)備，也即從設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序

i2c_adapter，用于抽象I2C的主設(shè)備

i2c_algorithm，抽象I2C總線操作接口

i2c_devinfo

該結(jié)構(gòu)體主要用于板級I2C信息管理

i2c_msg

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C報(bào)文，其內(nèi)容如下:

i2c_（ti）mings

主要用于抽象I2C電氣特性，對于支持設(shè)備樹的系統(tǒng)構(gòu)建而言，主要通過以下內(nèi)核接口函數(shù)，從設(shè)備樹解析電氣特性參數(shù)。

void

i2c_pa（rs）e_fw_timings(struct

device

*dev,

struct

i2c_timings

*t,

bool

use_defaults){

int

ret;

（mems）et(t,

0,

sizeof(*t));

ret

=

device_property_read_u32(dev,

"clock-frequency",

if

(ret

ret

=

device_property_read_u32(dev,

"i2c-scl-rising-time-ns",

if

(ret

else

if

(t->bus_freq_hz

scl_rise_ns

=

300;

else

t->scl_rise_ns

=

120;

}

ret

=

device_property_read_u32(dev,

"i2c-scl-falling-time-ns",

if

(ret

else

t->scl_fall_ns

=

120;

}

device_property_read_u32(dev,

"i2c-scl-internal-delay-ns",

ret

=

device_property_read_u32(dev,

"i2c-sda-falling-time-ns",

if

(ret

device_property_read_u32(dev,

"i2c-sda-hold-time-ns",

}EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_parse_fw_timings);

i2c_device_identity

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C設(shè)備的ID屬性，通過內(nèi)核接口函數(shù)i2c_get_device_id以獲取設(shè)備ID屬性。

總體框架

概述

LinuxI2C編程接口支持總線交互的主端和從端。從高層級看由兩種驅(qū)動程序和兩種設(shè)備構(gòu)成：

適配器設(shè)備與適配器設(shè)備驅(qū)動對：I2C適配器驅(qū)動程序用于抽象控制器硬件;它綁定到一個(gè)物理設(shè)備(可能是一個(gè)PCI設(shè)備(PC體系多一些)或platform_device(嵌入式應(yīng)用居多))，并構(gòu)建i2c_adapter實(shí)體以呈現(xiàn)所管理的1個(gè)I2C總線段。

/*

ALI1535

device

address

register

bits

*/#define

ALI1535_RD_ADDR

0x01

/*

Read/Write

Bit

in

Device

*/

/*

Address

field

*/

/*

->

Write

=

0

*/

/*

->

Read

=

1

*/#define

ALI1535_SMBIO_EN

0x04

/*

SMB

I/O

Sp（ac）e

enable

*//*PCI

設(shè)備驅(qū)動*/static

struct

pci_driver

ali1535_driver;static

unsigned

long

ali1535_smba;static

unsigned

short

ali1535_offset;

pci-I2C適配器設(shè)備。如在i2c-ali1535.c中：

platform_device。比如：i2c-s3c2410，如下：

static

const

struct

platform_device_id

s3c24xx_driver_ids[]

=

{

{

.name

=

"s3c2410-i2c",

.driver_data

=

0,

},

{

.name

=

"s3c2440-i2c",

.driver_data

=

QUIRK_S3C2440,

},

{

.name

=

"s3c2440-（hdmi）phy-i2c",

.driver_data

=

QUIRK_S3C2440

|

QUIRK_HDMIPHY

|

QUIRK_NO_GPIO,

},

{

},};MODULE_DEVICE_TABLE(platform,

s3c24xx_driver_ids);

I2C從設(shè)備及設(shè)備驅(qū)動：每個(gè)I2C總線段上將有一個(gè)由結(jié)構(gòu)i2c_client表示的I2C設(shè)備。這些設(shè)備將被綁定到一個(gè)structi2c_driver，遵循標(biāo)準(zhǔn)的Linux驅(qū)動程序模型。

架構(gòu)

圖片來源///doc/html/latest/i2c/slave-interface.html

主端總線驅(qū)動職責(zé)：

適配器和（算法）驅(qū)動程序，見下面i2c_algorithm結(jié)構(gòu)體詳細(xì)描述

管理I2C總線交互

從端設(shè)備驅(qū)動職責(zé)：

i2c_client結(jié)構(gòu)體具有設(shè)備的I2C總線地址以及適配器的驅(qū)動程序指針

當(dāng)用戶程序發(fā)出文件操作申請I2C事務(wù)時(shí)：

i2C_transfer(i2C-core.c)調(diào)用adap_algo_master_xfer，數(shù)據(jù)或消息以i2c_msg結(jié)構(gòu)體傳入。

適配器對硬件I/O地址進(jìn)行讀/寫操作，實(shí)現(xiàn)底層的I2C讀