實(shí)例解析linux內(nèi)核I2C體系結(jié)構(gòu)

1、實(shí)例解析linux內(nèi)核I2C體系結(jié)構(gòu)作者：劉洪濤,華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式學(xué)院講師。一、概述談到在linux系統(tǒng)下編寫I2C驅(qū)動(dòng)，目前主要有兩種方式，一種是把I2C設(shè)備當(dāng)作一個(gè)普通的字符設(shè)備來(lái)處理，另一種是利用linux I2C驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)來(lái)完成。下面比較下這兩種驅(qū)動(dòng)。第一種方法的好處（對(duì)應(yīng)第二種方法的劣勢(shì)）有：    思路比較直接，不需要花時(shí)間去了解linux內(nèi)核中復(fù)雜的I2C子系統(tǒng)的操作方法。第一種方法問(wèn)題（對(duì)應(yīng)第二種方法的好處）有：    要求工程師不僅要對(duì)I2C設(shè)備的操作熟悉，而且要熟悉I2C的適配器操作；  

2、60; 要求工程師對(duì)I2C的設(shè)備器及I2C的設(shè)備操作方法都比較熟悉，最重要的是寫出的程序可移植性差；    對(duì)內(nèi)核的資源無(wú)法直接使用。因?yàn)閮?nèi)核提供的所有I2C設(shè)備器及設(shè)備驅(qū)動(dòng)都是基于I2C子系統(tǒng)的格式。I2C適配器的操作簡(jiǎn)單還好，如果遇到復(fù)雜的I2C適配器（如：基于PCI的I2C適配器），工作量就會(huì)大很多。本文針對(duì)的對(duì)象是熟悉I2C協(xié)議，并且想使用linux內(nèi)核子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員。網(wǎng)絡(luò)和一些書籍上有介紹I2C子系統(tǒng)的源碼結(jié)構(gòu)。但發(fā)現(xiàn)很多開(kāi)發(fā)人員看了這些文章后，還是不清楚自己究竟該做些什么。究其原因還是沒(méi)弄清楚I2C子系統(tǒng)為我們做了些什么，以及我們?cè)鯓永肐2C子系統(tǒng)

3、。本文首先要解決是如何利用現(xiàn)有內(nèi)核支持的I2C適配器，完成對(duì)I2C設(shè)備的操作，然后再過(guò)度到適配器代碼的編寫。本文主要從解決問(wèn)題的角度去寫，不會(huì)涉及特別詳細(xì)的代碼跟蹤。二、I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫首先要明確適配器驅(qū)動(dòng)的作用是讓我們能夠通過(guò)它發(fā)出符合I2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的時(shí)序。在Linux內(nèi)核源代碼中的drivers/i2c/busses目錄下包含著一些適配器的驅(qū)動(dòng)。如S3C2410的驅(qū)動(dòng)i2c-s3c2410.c。當(dāng)適配器加載到內(nèi)核后，接下來(lái)的工作就要針對(duì)具體的設(shè)備編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)了。編寫I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)也有兩種方法。一種是利用系統(tǒng)給我們提供的i2c-dev.c來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)i2c適配器的設(shè)備文件。然后通過(guò)在應(yīng)用

4、層操作i2c適配器來(lái)控制i2c設(shè)備。另一種是為i2c設(shè)備，獨(dú)立編寫一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。注意：在后一種情況下，是不需要使用i2c-dev.c的。1、利用i2c-dev.c操作適配器，進(jìn)而控制i2c設(shè)備i2c-dev.c并沒(méi)有針對(duì)特定的設(shè)備而設(shè)計(jì)，只是提供了通用的read()、write()和ioctl()等接口，應(yīng)用層可以借用這些接口訪問(wèn)掛接在適配器上的i2c設(shè)備的存儲(chǔ)空間或寄存器，并控制I2C設(shè)備的工作方式。需要特別注意的是：i2c-dev.c的read()、write()方法都只適合于如下方式的數(shù)據(jù)格式（可查看內(nèi)核相關(guān)源碼）圖1 單開(kāi)始信號(hào)時(shí)序所以不具有太強(qiáng)的通用性，如下面這種情況就不適用（通常出

5、現(xiàn)在讀目標(biāo)時(shí)）。圖2 多開(kāi)始信號(hào)時(shí)序而且read()、write()方法只適用用于適配器支持i2c算法的情況，如：static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = .master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,.functionality = s3c24xx_i2c_func,;而不適合適配器只支持smbus算法的情況，如：static const struct i2c_algorithm smbus_algorithm = .smbus_xfer = i801_access,.functionality =

6、i801_func,;基于上面幾個(gè)原因，所以一般都不會(huì)使用i2c-dev.c的read()、write()方法。最常用的是ioctl()方法。ioctl()方法可以實(shí)現(xiàn)上面所有的情況（兩種數(shù)據(jù)格式、以及I2C算法和smbus算法）。針對(duì)i2c的算法，需要熟悉struct i2c_rdwr_ioctl_data 、struct i2c_msg。使用的命令是I2C_RDWR。struct i2c_rdwr_ioctl_data struct i2c_msg _user *msgs; /* pointers to i2c_msgs */_u32 nmsgs; /* number of i2c_msg

7、s */;struct i2c_msg _ _u16 addr; /* slave address */_ _u16 flags; /* 標(biāo)志（讀、寫） */_ _u16 len; /* msg length */_ _u8 *buf; /* pointer to msg data */;針對(duì)smbus算法，需要熟悉struct i2c_smbus_ioctl_data。使用的命令是I2C_SMBUS。對(duì)于smbus算法，不需要考慮“多開(kāi)始信號(hào)時(shí)序”問(wèn)題。struct i2c_smbus_ioctl_data _u8 read_write; /讀、寫_u8 command; /命令_u32 s

8、ize; /數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)union i2c_smbus_data _user *data; /數(shù)據(jù);下面以一個(gè)實(shí)例講解操作的具體過(guò)程。通過(guò)S3C2410操作AT24C02 e2prom。實(shí)現(xiàn)在AT24C02中任意位置的讀、寫功能。首先在內(nèi)核中已經(jīng)包含了對(duì)s3c2410 中的i2c控制器驅(qū)動(dòng)的支持。提供了i2c算法（非smbus類型的，所以后面的ioctl的命令是I2C_RDWR）static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = .master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,.functionality = s3

9、c24xx_i2c_func,;另外一方面需要確定為了實(shí)現(xiàn)對(duì)AT24C02 e2prom的操作，需要確定AT24C02的地址及讀寫訪問(wèn)時(shí)序。        AT24C02地址的確定原理圖上將A2、A1、A0都接地了，所以地址是0x50。        AT24C02任意地址字節(jié)寫的時(shí)序可見(jiàn)此時(shí)序符合前面提到的“單開(kāi)始信號(hào)時(shí)序”        AT24C02任意地址字節(jié)讀的時(shí)序可見(jiàn)此時(shí)序符

10、合前面提到的“多開(kāi)始信號(hào)時(shí)序”下面開(kāi)始具體代碼的分析（代碼在2.6.22內(nèi)核上測(cè)試通過(guò)）：/*i2c_test.c* hongtao_liu <lht>*/#include #include #include #include #include #include #include #include #define I2C_RETRIES 0x0701#define I2C_TIMEOUT 0x0702#define I2C_RDWR 0x0707/*定義struct i2c_rdwr_ioctl_data和struct i2c_msg，要和內(nèi)核一致*/struct i2c_msgu

11、nsigned short addr;unsigned short flags;#define I2C_M_TEN 0x0010#define I2C_M_RD 0x0001unsigned short len;unsigned char *buf;struct i2c_rdwr_ioctl_datastruct i2c_msg *msgs;int nmsgs;/* nmsgs這個(gè)數(shù)量決定了有多少開(kāi)始信號(hào)，對(duì)于“單開(kāi)始時(shí)序”，取1*/;/*主程序*/int main()int fd,ret;struct i2c_rdwr_ioctl_data e2prom_data;fd=open("

12、;/dev/i2c-0",O_RDWR);/*/dev/i2c-0是在注冊(cè)i2c-dev.c后產(chǎn)生的，代表一個(gè)可操作的適配器。如果不使用i2c-dev.c*的方式，就沒(méi)有，也不需要這個(gè)節(jié)點(diǎn)。*/if(fd<0)perror("open error");e2prom_data.nmsgs=2;/*因?yàn)椴僮鲿r(shí)序中，最多是用到2個(gè)開(kāi)始信號(hào)（字節(jié)讀操作中），所以此將*e2prom_data.nmsgs配置為2*/e2prom_data.msgs=(struct i2c_msg*)malloc(e2prom_data.nmsgs*sizeof(struct i2c_m

13、sg);if(!e2prom_data.msgs)perror("malloc error");exit(1);ioctl(fd,I2C_TIMEOUT,1);/*超時(shí)時(shí)間*/ioctl(fd,I2C_RETRIES,2);/*重復(fù)次數(shù)*/*write data to e2prom*/e2prom_data.nmsgs=1;(e2prom_data.msgs0).len=2; /1個(gè) e2prom 寫入目標(biāo)的地址和1個(gè)數(shù)據(jù)(e2prom_data.msgs0).addr=0x50;/e2prom 設(shè)備地址(e2prom_data.msgs0).flags=0; /write

14、(e2prom_data.msgs0).buf=(unsigned char*)malloc(2);(e2prom_data.msgs0).buf0=0x10;/ e2prom 寫入目標(biāo)的地址(e2prom_data.msgs0).buf1=0x58;/the data to writeret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned long)&e2prom_data);if(ret<0)perror("ioctl error1");sleep(1);/*read data from e2prom*/e2prom_data.nmsgs=2;(e

15、2prom_data.msgs0).len=1; /e2prom 目標(biāo)數(shù)據(jù)的地址(e2prom_data.msgs0).addr=0x50; / e2prom 設(shè)備地址(e2prom_data.msgs0).flags=0;/write(e2prom_data.msgs0).buf0=0x10;/e2prom數(shù)據(jù)地址(e2prom_data.msgs1).len=1;/讀出的數(shù)據(jù)(e2prom_data.msgs1).addr=0x50;/ e2prom 設(shè)備地址(e2prom_data.msgs1).flags=I2C_M_RD;/read(e2prom_data.msgs1).buf=(u

16、nsigned char*)malloc(1);/存放返回值的地址。(e2prom_data.msgs1).buf0=0;/初始化讀緩沖ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned long)&e2prom_data);if(ret<0)perror("ioctl error2");printf("buff0=%xn",(e2prom_data.msgs1).buf0);/*打印讀出的值，沒(méi)錯(cuò)的話，就應(yīng)該是前面寫的0x58了*/close(fd);return 0;以上講述了一種比較常用的利用i2c-dev.c操作i2c設(shè)

17、備的方法，這種方法可以說(shuō)是在應(yīng)用層完成了對(duì)具體i2c設(shè)備的驅(qū)動(dòng)工作。計(jì)劃下一篇總結(jié)以下幾點(diǎn)：（1）在內(nèi)核里寫i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)的兩種方式：    Probe方式（new style），如：static struct i2c_driver pca953x_driver = .driver = .name = "pca953x",.probe = pca953x_probe,.remove = pca953x_remove,.id_table = pca953x_id,;    Adapter方式（LEGACY），如：st

18、atic struct i2c_driver pcf8575_driver = .driver = .owner = THIS_MODULE,.name = "pcf8575",.attach_adapter = pcf8575_attach_adapter,.detach_client = pcf8575_detach_client,;（2）適配器驅(qū)動(dòng)編寫方法（3）分享一些項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題四、在內(nèi)核里寫i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)的兩種方式前文介紹了利用/dev/i2c-0在應(yīng)用層完成對(duì)i2c設(shè)備的操作，但很多時(shí)候我們還是習(xí)慣為i2c設(shè)備在內(nèi)核層編寫驅(qū)動(dòng)程序。目前內(nèi)核支持兩種編寫i2c

19、驅(qū)動(dòng)程序的方式。下面分別介紹這兩種方式的實(shí)現(xiàn)。這里分別稱這兩種方式為“Adapter方式（LEGACY）”和“Probe方式（new style）”。（1） adapter方式（LEGACY）（下面的實(shí)例代碼是在2.6.27內(nèi)核的pca953x.c基礎(chǔ)上修改的，原始代碼采用的是本文將要討論的第2種方式，即Probe方式）    構(gòu)建i2c_driverstatic struct i2c_driver pca953x_driver = .driver = .name= "pca953x", /名稱,.id= ID_pca9555,/id號(hào).att

20、ach_adapter= pca953x_attach_adapter, /調(diào)用適配器連接設(shè)備.detach_client= pca953x_detach_client,/讓設(shè)備脫離適配器;    注冊(cè)i2c_driverstatic int _init pca953x_init(void)return i2c_add_driver(&pca953x_driver);module_init(pca953x_init);    attach_adapter動(dòng)作執(zhí)行i2c_add_driver(&pca953x_drive

21、r)后會(huì)，如果內(nèi)核中已經(jīng)注冊(cè)了i2c適配器，則順序調(diào)用這些適配器來(lái)連接我們的i2c設(shè)備。此過(guò)程是通過(guò)調(diào)用i2c_driver中的attach_adapter方法完成的。具體實(shí)現(xiàn)形式如下：static int pca953x_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)return i2c_probe(adapter, &addr_data, pca953x_detect);/*adapter:適配器addr_data:地址信息pca953x_detect：探測(cè)到設(shè)備后調(diào)用的函數(shù)*/地址信息addr_data是由下面代碼指定的。/* Addres

22、ses to scan */static unsigned short normal_i2c = 0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x27,I2C_CLIENT_END;I2C_CLIENT_INSMOD;注意：normal_i2c里的地址必須是你i2c芯片的地址。否則將無(wú)法正確探測(cè)到設(shè)備。而I2C_ CLIENT_INSMOD是一個(gè)宏，它會(huì)利用normal_i2c構(gòu)建addr_data。    構(gòu)建i2c_client，并注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)i2c_probe在探測(cè)到目標(biāo)設(shè)備后，后調(diào)用pca953x_detect，并把當(dāng)時(shí)的探測(cè)

23、地址address作為參數(shù)傳入。static int pca953x_detect(struct i2c_adapter *adapter, int address, int kind)struct i2c_client *new_client;struct pca953x_chip *chip; /設(shè)備結(jié)構(gòu)體int err = 0,result;dev_t pca953x_dev=MKDEV(pca953x_major,0);/構(gòu)建設(shè)備號(hào)，根據(jù)具體情況設(shè)定，這里我只考慮了normal_i2c中只有一個(gè)地址匹配的情況。if (!i2c_check_functionality(adapter,

24、I2C_FUNC_SMBUS_BYTE_DATA| I2C_FUNC_SMBUS_WORD_DATA)/判定適配器能力goto exit;if (!(chip = kzalloc(sizeof(struct pca953x_chip), GFP_KERNEL) err = -ENOMEM;goto exit;/*構(gòu)建i2c-client*/chip->client=kzalloc(sizeof(struct i2c_client),GFP_KERNEL);new_client = chip->client;i2c_set_clientdata(new_client, chip);n

25、ew_client->addr = address;new_client->adapter = adapter;new_client->driver = &pca953x_driver;new_client->flags = 0;strlcpy(new_client->name, "pca953x", I2C_NAME_SIZE);if (err = i2c_attach_client(new_client)/注冊(cè)i2c_clientgoto exit_kfree;if (err)goto exit_detach;if(pca953x_

26、major)result=register_chrdev_region(pca953x_dev,1,"pca953x");elseresult=alloc_chrdev_region(&pca953x_dev,0,1,"pca953x");pca953x_major=MAJOR(pca953x_dev);if (result < 0) printk(KERN_NOTICE "Unable to get pca953x region, error %dn", result);return result;pca953x_se

27、tup_cdev(chip,0); /注冊(cè)字符設(shè)備，此處不詳解return 0;exit_detach:i2c_detach_client(new_client);exit_kfree:kfree(chip);exit:return err;i2c_check_functionality用來(lái)判定設(shè)配器的能力，這一點(diǎn)非常重要。你也可以直接查看對(duì)應(yīng)設(shè)配器的能力，如static const struct i2c_algorithm smbus_algorithm = .smbus_xfer= i801_access,.functionality= i801_func,;static u32 i801

28、_func(struct i2c_adapter *adapter)return I2C_FUNC_SMBUS_QUICK | I2C_FUNC_SMBUS_BYTE |I2C_FUNC_SMBUS_BYTE_DATA | I2C_FUNC_SMBUS_WORD_DATA |I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_DATA | I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK| (isich4 ? I2C_FUNC_SMBUS_HWPEC_CALC : 0);    字符驅(qū)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)struct file_operations pca953x_fo

29、ps = .owner = THIS_MODULE,.ioctl= pca953x_ioctl,.open= pca953x_open,.release =pca953x_release,;字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)本身沒(méi)有什么好說(shuō)的，這里主要想說(shuō)一下，如何在驅(qū)動(dòng)中調(diào)用i2c設(shè)配器幫我們完成數(shù)據(jù)傳輸。目前設(shè)配器主要支持兩種傳輸方法：smbus_xfer和master_xfer。一般來(lái)說(shuō)，如果設(shè)配器支持了master_xfer那么它也可以模擬支持smbus的傳輸。但如果只實(shí)現(xiàn)smbus_xfer，則不支持一些i2c的傳輸。int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap,

30、struct i2c_msg *msgs,int num);int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,unsigned short flags, char read_write,u8 command, int size, union i2c_smbus_data * data);master_xfer中的參數(shù)設(shè)置，和前面的用戶空間編程一致。現(xiàn)在只是要在驅(qū)動(dòng)中構(gòu)建相關(guān)的參數(shù)然后調(diào)用i2c_transfer來(lái)完成傳輸既可。int i2c_transfer(struct i2c_adapter * adap, struct i2c_m

31、sg *msgs, int num)smbus_xfer中的參數(shù)設(shè)置及調(diào)用方法如下：static int pca953x_write_reg(struct pca953x_chip *chip, int reg, uint16_t val)int ret;ret = i2c_smbus_write_word_data(chip->client, reg << 1, val);if (ret < 0) dev_err(&chip->client->dev, "failed writing registern");return -EI

32、O;return 0;上面函數(shù)完成向芯片的地址為reg的寄存器寫一個(gè)16bit的數(shù)據(jù)。i2c_smbus_write_word_data的實(shí)現(xiàn)如下：s32 i2c_smbus_write_word_data(struct i2c_client *client, u8 command, u16 value)union i2c_smbus_data data;data.word = value;return i2c_smbus_xfer(client->adapter,client->addr,client->flags,I2C_SMBUS_WRITE,command,I2C_S

33、MBUS_WORD_DATA,&data);從中可以看出smbus傳輸一個(gè)16位數(shù)據(jù)的方法。其它操作如：字符寫、字符讀、字讀、塊操作等，可以參考內(nèi)核的i2c-core.c中提供的方法。    注銷i2c_driverstatic void _exit pca953x_exit(void)i2c_del_driver(&pca953x_driver);module_exit(pca953x_exit);    detach_client動(dòng)作順序調(diào)用內(nèi)核中注冊(cè)的適配器來(lái)斷開(kāi)我們注冊(cè)過(guò)的i2c設(shè)備。此過(guò)程通過(guò)調(diào)用i2c_dr

34、iver中的attach_adapter方法完成的。具體實(shí)現(xiàn)形式如下：static int pca953x_detach_client(struct i2c_client *client)int err;struct pca953x_chip *data;if (err = i2c_detach_client(client)/斷開(kāi)i2c_clientreturn err;data=i2c_get_clientdata(client);cdev_del(&(data->cdev);unregister_chrdev_region(MKDEV(pca953x_major, 0), 1

35、);kfree(data->client);kfree(data);return 0;（2） Probe方式（new style）    構(gòu)建i2c_driver和LEGACY方式一樣，也需要構(gòu)建i2c_driver，但是內(nèi)容有所不同。static struct i2c_driver pca953x_driver = .driver = .name= "pca953x",.probe= pca953x_probe, /當(dāng)有i2c_client和i2c_driver匹配時(shí)調(diào)用.remove= pca953x_remove,/注銷時(shí)調(diào)用.id

36、_table= pca953x_id,/匹配規(guī)則;    注冊(cè)i2c_driverstatic int _init pca953x_init(void)return i2c_add_driver(&pca953x_driver);module_init(pca953x_init);在注冊(cè)i2c_driver的過(guò)程中，是將driver注冊(cè)到了i2c_bus_type的總線上。此總線的匹配規(guī)則是：static const struct i2c_device_id *i2c_match_id(const struct i2c_device_id *id,cons

37、t struct i2c_client *client)while (id->name0) if (strcmp(client->name, id->name) = 0)return id;id+;return NULL;可以看出是利用i2c_client的名稱和id_table中的名稱做匹配的。本驅(qū)動(dòng)中的id_table為static const struct i2c_device_id pca953x_id = "pca9534", 8, , "pca9535", 16, , "pca9536", 4, , "pca9537", 4, , "pca9538", 8, , "pca9539", 16, , "pca9554", 8, , "