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一，前言

I2C（也写做IIC）总线支持设备之间的短距离通信，用于处理器和一些外围设备之间数据传输，它只需要两根信号线来就能完成数据传输，极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用，所以它被EEPROM、时钟等设备与主控的接口中。前一篇简单分析下I2C协议，并且通过IO口模拟了I2C的数据传输，这一篇来分析下linux系统中的I2C协议的使用，分析Linux系统中I2C驱动的体系结构和工作方式。最后通过自行构建一个I2C设备驱动程序来了解I2C设备驱动开发的具体流程。

二，IIC驱动的体系架构

在这里插入图片描述

2.1 IIC核心

I2C核心向内核注册了I2C总线，同时创建了一个适配器类（/sys/class/i2c-adapter），以便于后面向I2C总线注册适配器时在该适配器类下创建适配器设备。在I2C核心中，提供了I2C适配器和I2C设备驱动的注册、注销方法。

通过 i2c_add_adapter 接口将I2C适配器注册到I2C总线中。
通过 i2c_add_driver 接口将I2C设备驱动注册到I2C总线中。

// linux-2.6.22.6/drivers/i2c/i2c-core.c
struct bus_type i2c_bus_type = {
	.name		= "i2c",
	.dev_attrs	= i2c_dev_attrs,
	.match		= i2c_device_match,
	.uevent		= i2c_device_uevent,
	.probe		= i2c_device_probe,
	.remove		= i2c_device_remove,
	.shutdown	= i2c_device_shutdown,
	.suspend	= i2c_device_suspend,
	.resume		= i2c_device_resume,
};

struct class i2c_adapter_class = {
    .owner			= THIS_MODULE,
    .name			= "i2c-adapter",
    .dev_attrs		= i2c_adapter_attrs,
};

static int __init i2c_init(void)
{
    int retval;

    // 注册i2c总线
    retval = bus_register(&i2c_bus_type);
    if (retval)
        return retval;
    // 在/sys/class/下创建一个适配器类 /sys/class/i2c-adapter
    return class_register(&i2c_adapter_class);
}

subsys_initcall(i2c_init);

2.2 IIC适配器

2.2.1 适配器驱动资源的初始化和注册

由于IIC总线控制器通常是在内存上的，所有它本身也连接在platform总线上，要通过paltform_driver 和paltform_device 的匹配来执行。在该paltform_driver 的probe函数中，通常完成两个工作。

  • 初始化I2C适配器所使用的硬件资源，如申请i/o地址、中断号、时钟等。
  • 通过i2c_add_adapter接口向I2C总线注册了一个适配器。
static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {
	.master_xfer		= s3c24xx_i2c_xfer,
	.functionality		= s3c24xx_i2c_func,
};

static struct s3c24xx_i2c s3c24xx_i2c = {
	.lock		= __SPIN_LOCK_UNLOCKED(s3c24xx_i2c.lock),
	.wait		= __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(s3c24xx_i2c.wait),
	.tx_setup	= 50,
	.adap		= {
		.name			= "s3c2410-i2c",
		.owner			= THIS_MODULE,
		.algo			= &s3c24xx_i2c_algorithm,
		.retries		= 2,
		.class			= I2C_CLASS_HWMON,
	},
};

s3c24xx_i2c_probe ->
    ......
    // 时钟
    i2c->clk = clk_get(&pdev->dev, "i2c");
	clk_enable(i2c->clk);
	......
	// i/o资源
    i2c->ioarea = request_mem_region(res->start, (res->end-res->start)+1,
					 pdev->name);
	i2c->regs = ioremap(res->start, (res->end-res->start)+1);
    ......
    //中断
    ret = request_irq(res->start, s3c24xx_i2c_irq, IRQF_DISABLED,
			  pdev->name, i2c);
	......
        
    struct s3c24xx_i2c *i2c = &s3c24xx_i2c;
	// 注册适配器
	i2c_add_adapter(&i2c->adap)
        
	......

2.2.2 IIC适配器里的通信方法

I2C适配器为后和它匹配的设备驱动提供通信方法，即数据传输的接口。主要是实现i2c_algorithm结构体的master_xfer 函数和 functionality函数。functionality函数用于返回algorithm所支持的通信协议。master_xfer 函数在I2C适配器上完成传递给它的i2c_msg数组中的每个IIC消息。

static u32 s3c24xx_i2c_func(struct i2c_adapter *adap)
{
	return I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL | I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING;
}

static int s3c24xx_i2c_xfer(struct i2c_adapter *adap,
			struct i2c_msg *msgs, int num)
{
	struct s3c24xx_i2c *i2c = (struct s3c24xx_i2c *)adap->algo_data;
	int retry;
	int ret;

	for (retry = 0; retry < adap->retries; retry++) {

		ret = s3c24xx_i2c_doxfer(i2c, msgs, num);

		if (ret != -EAGAIN)
			return ret;

		dev_dbg(i2c->dev, "Retrying transmission (%d)\n", retry);

		udelay(100);
	}

	return -EREMOTEIO;
}

2.2.3 IIC适配器和IIC设备驱动的匹配

s3c24xx_i2c_probe ->
    struct s3c24xx_i2c *i2c = &s3c24xx_i2c;
	// 注册适配器
	i2c_add_adapter(&i2c->adap) ->
		i2c_register_adapter(adapter) ->
            ......
            // 将该注册的适配器加入到适配器链表中
        	list_add_tail(&adap->list, &adapters);

        	// 在 /sys/class/i2c-adapter设备类下创建一个设备
        	// /sys/class/i2c-adapter/i2c-0
        	sprintf(adap->dev.bus_id, "i2c-%d", adap->nr);
        	adap->dev.release = &i2c_adapter_dev_release;
        	adap->dev.class = &i2c_adapter_class;
        	res = device_register(&adap->dev);

        	// 从I2C设备驱动链表中，取出每一项驱动，执行驱动的attach_adapter接口，以匹配适配器和设备驱动
        	// IIC设备驱动链表由IIC设备驱动注册时设置。
			list_for_each(item,&drivers) {
    		driver = list_entry(item, struct i2c_driver, list);
    		if (driver->attach_adapter)
    			/* We ignore the return code; if it fails, too bad */
                // 调用IIC设备驱动的attach_adapter接口                
    			driver->attach_adapter(adap); 
    		}
			......

2.3 IIC设备驱动

2.3.1 IIC通用设备驱动

实现了I2C适配器设备文件的功能，每一个IIC适配器都被分配一个设备。通过适配器访问设备时的主设备号都为89，次设备号为0~255。应用程序可以通过"/dev/i2c-%d"设备节点使用文件操作接口open()、write()、read()、ioctl()等来使用对应的IIC适配器访问某个I2C设备。


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,
};

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,
};

#define I2C_MAJOR	89		/* Device major number		*/

static int __init i2c_dev_init(void)
{
	int res;

	printk(KERN_INFO "i2c /dev entries driver\n");

	res = register_chrdev(I2C_MAJOR, "i2c", &i2cdev_fops);
	if (res)
		goto out;
	// 创建/sys/class/i2c-dev
	i2c_dev_class = class_create(THIS_MODULE, "i2c-dev");
	if (IS_ERR(i2c_dev_class))
		goto out_unreg_chrdev;

	res = i2c_add_driver(&i2cdev_driver);
	if (res)
		goto out_unreg_class;

	return 0;

out_unreg_class:
	class_destroy(i2c_dev_class);
out_unreg_chrdev:
	unregister_chrdev(I2C_MAJOR, "i2c");
out:
	printk(KERN_ERR "%s: Driver Initialisation failed\n", __FILE__);
	return res;
}

2.3.2 IIC通用设备驱动和IIC适配器的匹配

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,
};

i2c_dev_init ->
    // 注册IIC设备驱动，匹配每个适配器进而为每个匹配到的适配器在 /sys/class/i2c-dev设备类下创建适配器设备
    i2c_add_driver(&i2cdev_driver) -> 
        i2c_register_driver -> 
        	
    		// 将IIC设备驱动添加到驱动链表中
    		list_add_tail(&driver->list,&drivers);

        	// 从IIC适配器链表中，取出每一个适配器，调用IIC设备驱动提供的attach_adapter接口
            list_for_each_entry(adapter, &adapters, list) {
    			driver->attach_adapter(adapter); // 即 调用i2cdev_attach_adapter
    		}

    // 调用i2cdev_attach_adapter
    i2cdev_attach_adapter
    	// 在 /sys/class/i2c-dev设备类下创建适配器设备 /sys/class/i2c-dev/i2c-%d
    	// 同时会以I2C_MAJOR为主设备号，次设备号0~255，在/dev/下生成 /dev/i2c-%d设备节点
    	i2c_dev->dev = device_create(i2c_dev_class, &adap->dev,
    				     MKDEV(I2C_MAJOR, adap->nr),
    				     "i2c-%d", adap->nr);
    	res = device_create_file(i2c_dev->dev, &dev_attr_name);

2.3.3 at24cxx的IIC设备驱动

为某个特定的IIC设备的构建的IIC设备驱动，通常在提供的attach_adapter 接口调用I2C核心提供的i2c_probe接口，同时提供一个设备探测成功后调用的函数"at24cxx_detect"给到i2c_probe，在i2c_probe中会去探测某个设备地址的设备是否存在，如果存在便调用at24cxx_detect。通常来说为某个特定的IIC设备去构建IIC设备驱动、针对平台硬件资源构建IIC适配器便是IIC驱动相关开发所需要做的工作，IIC核心相关、IIC总线驱动相关的部分，系统中一般已经存在。


static struct i2c_driver at24cxx_driver = {
	.driver = {
		.name	= "at24cxx",
	},
	.attach_adapter = at24cxx_attach,
	.detach_client  = at24cxx_detach,
};

static int at24cxx_attach(struct i2c_adapter *adapter)
{
	return i2c_probe(adapter, &addr_data, at24cxx_detect);
}

static int at24cxx_detect(struct i2c_adapter *adapter, int address, int kind)
{	
	printk("at24cxx_detect\n");

	/* 构构一个i2c_client结构体: 以后收改数据时会用到它 */
	at24cxx_client = kzalloc(sizeof(struct i2c_client), GFP_KERNEL);
	at24cxx_client->addr    = address;
	at24cxx_client->adapter = adapter;
	at24cxx_client->driver  = &at24cxx_driver;
	strcpy(at24cxx_client->name, "at24cxx");
	i2c_attach_client(at24cxx_client);

    // 注册一个IIC设备的驱动，提供file_operations接口
	major = register_chrdev(0, "at24cxx", &at24cxx_fops);

    // 创建一个设备类/sys/class/at24cxx，并在该设备类下创建一个设备/sys/class/at24cxx/at24cxx
	// 以 major为主设备号，次设备号0~255，生成/dev/at24cxx设备节点，供应用程序使用
    cls = class_create(THIS_MODULE, "at24cxx");
	class_device_create(cls, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "at24cxx"); /* /dev/at24cxx */
	
	return 0;
}

static int at24cxx_init(void)
{
	i2c_add_driver(&at24cxx_driver);
	return 0;
}

static unsigned short ignore[]      = { I2C_CLIENT_END };
static unsigned short normal_addr[] = { 0x50, I2C_CLIENT_END }; /* 地址值是7位 */                                       
										
static struct i2c_client_address_data addr_data = {
	.normal_i2c	= normal_addr,  /* 要发出S信号和设备地址并得到ACK信号,才能确定存在这个设备 */
	.probe		= ignore,
	.ignore		= ignore,
	//.forces     = forces, /* 强制认为存在这个设备 */
};

2.3.4 at24cxx的IIC设备驱动和IIC适配器的匹配

at24cxx_init ->
    i2c_add_driver -> 
        i2c_register_driver -> 
            // 将IIC设备驱动添加到驱动链表中
    		list_add_tail(&driver->list,&drivers);

        	// 从IIC适配器链表中，取出每一个适配器，调用IIC设备驱动提供的attach_adapter接口
            list_for_each_entry(adapter, &adapters, list) {
    			driver->attach_adapter(adapter); // 即 调用at24cxx_attach
    		}

at24cxx_attach -> 
    i2c_probe(adapter, &addr_data, at24cxx_detect) -> 
        // 对每个设备地址执行
        i2c_probe_address(adapter,address_data->probe[i + 1],-1, found_proc) ->
            // 判断之前适配器中是否已经有该I2C设备连接了
    		i2c_check_addr(adapter, addr)
            // 去探测这个设备地址的设备
    		i2c_smbus_xfer(adapter, addr, 0, 0, 0,I2C_SMBUS_QUICK, NULL) ->
                i2c_smbus_xfer_emulated(adapter,addr,flags,read_write,command,size,data) ->
                    i2c_transfer(adapter, msg, num)
                        adap->algo->master_xfer(adap,msgs,num) ->
                            // 以i2c-s3c2410.c的适配器为例
                            s3c24xx_i2c_doxfer(i2c, msgs, num)->
                                // 向某设备地址传输一个msg
                                s3c24xx_i2c_message_start(i2c, msgs);
                            	// 等待设备的ACK回应，在s3c24xx_i2c_master_complete会唤醒该wait,并赋值i2c->msg_idx
                                timeout = wait_event_timeout(i2c->wait, i2c->msg_num == 0, HZ * 5);
								ret = i2c->msg_idx;  // 返回ACK的值
        	// 设备有ACK回应则调用found_proc，即at24cxx_detect函数
			found_proc(adapter, addr, kind);

at24cxx_detect中
	设置了i2c_client结构体，记录了I2C设备的设备地址、匹配的适配器等信息
	注册了一个字符设备，提供了file_operations接口，以供应用程序使用
	创建设备类、设备、生成设备节点，以供应用程序使用

三，应用程序和IIC设备的数据传输方式

应用程序一般通过两种方式和i2c设备进行数据传输

  1. 应用程序通过通用设备驱动（i2c-dev）的设备节点"/dev/i2c-0"和某个i2c设备进行数据传输。

应用程序打开"/dev/i2c-0"节点，使用其file_operations接口（open、read、write、ioctl、close）和某IIC设备进行数据传输。

  1. 构建某个i2c设备的设备驱动程序，创建该i2c设备的设备节点（“/dev/at24cxx”），然后应用程序通过该i2c设备的设备节点和该i2c设备进行数据传输。

应用程序打开"/dev/at24cxx"节点，使用其file_operations接口（open、read、write、ioctl、close）和某IIC设备进行数据传输。

四，和IIC设备进行一次数据传输的过程

进行一次数据传输操作，IIC设备地址为0x50。

4.1 通过IIC通用设备驱动进行数据传输

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/i2c-dev.h>


/* i2c_test r addr
 * i2c_test w addr val
 */

void print_usage(char *file)
{
	printf("%s r addr\n", file);
	printf("%s w addr val\n", file);
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	unsigned char buf[2];
	
	if ((argc != 3) && (argc != 4))
	{
		print_usage(argv[0]);
		return -1;
	}

	// 打开通用设备驱动的设备节点
	fd = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);
	if (fd < 0)
	{
		printf("can't open /dev/i2c-0\n");
		return -1;
	}

	ioctl(fd,I2C_SLAVE,0x50); // 设置从设备地址
	ioctl(fd,I2C_TIMEOUT,1);  // 设置超时
	ioctl(fd,I2C_RETRIES,1);  // 设置重试次数

	if (strcmp(argv[1], "r") == 0)
	{
		buf[0] = strtoul(argv[2], NULL, 0);
		write(fd, buf, 1);  // 先写入要读取的设备内部地址
		read(fd, buf, 1);   // 再读取一个字节
		printf("data: %c, %d, 0x%2x\n", buf[0], buf[0], buf[0]);
	}
	else if (strcmp(argv[1], "w") == 0)
	{
		buf[0] = strtoul(argv[2], NULL, 0);
		buf[1] = strtoul(argv[3], NULL, 0);
		write(fd, buf, 2);
	}
	else
	{
		print_usage(argv[0]);
		return -1;
	}
	
	return 0;
}

4.1.1 利用IIC通用设备驱动进行数据传输的函数调用过程

IIC通用设备驱动注册了一个字符设备，提供了file_operations 接口（open\read\write\ioctl等），并创建了一个设备节点“/dev/i2c-0”。

open("/dev/i2c-0", O_RDWR) 	  // 即 i2cdev_open
    adap = i2c_get_adapter(i2c_dev->adap->nr); // 获取驱动对应的适配器
	client = kzalloc(sizeof(*client), GFP_KERNEL); // 申请并设置struct i2c_client 结构体
	client->driver = &i2cdev_driver;
	/* registered with adapter, passed as client to user */
	client->adapter = adap;
	file->private_data = client;

ioctl(fd,I2C_SLAVE,0x50) ->   // 即 i2cdev_ioctl
    case I2C_SLAVE:
    	client->addr = arg;   // 设置从设备地址

read(fd, buf, 1) -> // 即 i2cdev_read
    i2c_master_recv -> 
        i2c_transfer
        	adap->algo->master_xfer // 以下和上面分析的探测某设备地址的设备一致

write(fd, buf, 1) -> // 即 i2cdev_write
	i2c_master_send -> 
       i2c_transfer
        	adap->algo->master_xfer // 以下和上面分析的探测某设备地址的设备一致

4.2 通过特定的IIC设备驱动进行数据传输

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


/* i2c_test r addr
 * i2c_test w addr val
 */

void print_usage(char *file)
{
	printf("%s r addr\n", file);
	printf("%s w addr val\n", file);
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	unsigned char buf[2];
	
	if ((argc != 3) && (argc != 4))
	{
		print_usage(argv[0]);
		return -1;
	}

    // 打开at24cxxIIC设备的设备节点
	fd = open("/dev/at24cxx", O_RDWR);
	if (fd < 0)
	{
		printf("can't open /dev/at24cxx\n");
		return -1;
	}

	if (strcmp(argv[1], "r") == 0)
	{
		buf[0] = strtoul(argv[2], NULL, 0);
		read(fd, buf, 1);
		printf("data: %c, %d, 0x%2x\n", buf[0], buf[0], buf[0]);
	}
	else if (strcmp(argv[1], "w") == 0)
	{
		buf[0] = strtoul(argv[2], NULL, 0);
		buf[1] = strtoul(argv[3], NULL, 0);
		write(fd, buf, 2);
	}
	else
	{
		print_usage(argv[0]);
		return -1;
	}
	
	return 0;
}

五，总结

通常来说为某个特定的IIC设备去构建IIC设备驱动、针对平台硬件资源构建IIC适配器便是IIC驱动相关开发所需要做的工作，IIC核心相关、IIC总线驱动相关的部分，系统中一般已经存在。
构建IIC设备驱动一般需要做的工作

  • 设置struct i2c_driver结构体，提供attach_adapter、detach_client接口。
  • 在attach_adapter 中调用 i2c_probe接口，去探测某设备地址的设备，并提供设备探测存在后调用的函数at24cxx_detect，在该函数中设置struct i2c_client。
  • 还需在at24cxx_detect函数中(即设备探测成功后)，实现IIC设备所对应类型的具体驱动，比如说本例中为字符设备，便注册了字符设备驱动、创建了字符设备节点等。

构建IIC适配器一般需要做的工作

  • 提供IIC适配器的硬件驱动，探测、初始化IIC适配器（比如申请IIC的i/o地址和中断号）、驱动CPU控制的IIC控制器从硬件上产生各种信号以及处理IIC中断等。
  • 提供IIC适配器的algorithm，即提供master_xfer 接口以及functionality接口，IIC设备驱动将调用对应适配器的master_xfer 接口进行数据传输。
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