linux下I2C驱动架构全面分析
2015-11-03 11:01
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I2C 概述
I2C是philips提出的外设总线.I2C只有两条线,一条串行数据线:SDA,一条是时钟线SCL ,使用SCL,SDA这两根信号线就实现了设备之间的数据交互,它方便了工程师的布线。
因此,I2C总线被非常广泛地应用在EEPROM,实时钟,小型LCD等设备与CPU的接口中。
linux下的驱动思路
在linux系统下编写I2C驱动,目前主要有两种方法,一种是把I2C设备当作一个普通的字符设备来处理,另一种是利用linux下I2C驱动体系结构来完成。下面比较下这两种方法:
第一种方法:
优点:思路比较直接,不需要花很多时间去了解linux中复杂的I2C子系统的操作方法。
缺点:
要求工程师不仅要对I2C设备的操作熟悉,而且要熟悉I2C的适配器(I2C控制器)操作。
要求工程师对I2C的设备器及I2C的设备操作方法都比较熟悉,最重要的是写出的程序可以移植性差。
对内核的资源无法直接使用,因为内核提供的所有I2C设备器以及设备驱动都是基于I2C子系统的格式。
第一种方法的优点就是第二种方法的缺点,
第一种方法的缺点就是第二种方法的优点。
I2C架构概述
Linux的I2C体系结构分为3个组成部分:
I2C核心:I2C核心提供了I2C总线驱动和设备驱动的注册,注销方法,I2C通信方法(”algorithm”)上层的,与具体适配器无关的代码以及探测设备,检测设备地址的上层代码等。
I2C总线驱动:I2C总线驱动是对I2C硬件体系结构中适配器端的实现,适配器可由CPU控制,甚至可以直接集成在CPU内部。
I2C设备驱动:I2C设备驱动(也称为客户驱动)是对I2C硬件体系结构中设备端的实现,设备一般挂接在受CPU控制的I2C适配器上,通过I2C适配器与CPU交换数据。
linux驱动中i2c驱动架构
上图完整的描述了linux i2c驱动架构,虽然I2C硬件体系结构比较简单,但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。
那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序?就是说上述架构中的那些部分需要我们完成,而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的?
架构层次分类
第一层:提供i2c adapter的硬件驱动,探测、初始化i2c adapter(如申请i2c的io地址和中断号),驱动soc控制的i2c adapter在硬件上产生信号(start、stop、ack)以及处理i2c中断。覆盖图中的硬件实现层
第二层:提供i2c adapter的algorithm,用具体适配器的xxx_xferf()函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针,并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层
第三层:实现i2c设备驱动中的i2c_driver接口,用具体的i2c device设备的attach_adapter()、detach_adapter()方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。实现设备device与总线(或者叫adapter)的挂接。覆盖图中的driver驱动层
第四层:实现i2c设备所对应的具体device的驱动,i2c_driver只是实现设备与总线的挂接,而挂接在总线上的设备则是千差万别的,所以要实现具体设备device的write()、read()、ioctl()等方法,赋值给file_operations,然后注册字符设备(多数是字符设备)。覆盖图中的driver驱动层
第一层和第二层又叫i2c总线驱动(bus),第三第四属于i2c设备驱动(device driver)。
在linux驱动架构中,几乎不需要驱动开发人员再添加bus,因为linux内核几乎集成所有总线bus,如usb、pci、i2c等等。并且总线bus中的(与特定硬件相关的代码)已由芯片提供商编写完成,例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c
第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了。
Linux下I2C体系文件构架
在Linux内核源代码中的driver目录下包含一个i2c目录
i2c-core.c这个文件实现了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。
i2c-dev.c实现了I2C适配器设备文件的功能,每一个I2C适配器都被分配一个设备。通过适配器访设备时的主设备号都为89,次设备号为0-255。I2c-dev.c并没有针对特定的设备而设计,只是提供了通用的read(),write(),和ioctl()等接口,应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的I2C设备的存储空间或寄存器,并控制I2C设备的工作方式。
busses文件夹这个文件中包含了一些I2C总线的驱动,如针对S3C2410,S3C2440,S3C6410等处理器的I2C控制器驱动为i2c-s3c2410.c.
algos文件夹实现了一些I2C总线适配器的algorithm.
重要的结构体
i2c_driver
<pre name="code" class="cpp">struct i2c_driver { unsigned int class; /* Notifies the driver that a new bus has appeared or is about to be * removed. You should avoid using this if you can, it will probably * be removed in a near future. */ int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *); int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *); /* Standard driver model interfaces */ int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); int (*remove)(struct i2c_client *); /* driver model interfaces that don't relate to enumeration */ void (*shutdown)(struct i2c_client *); int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg); int (*resume)(struct i2c_client *); /* Alert callback, for example for the SMBus alert protocol. * The format and meaning of the data value depends on the protocol. * For the SMBus alert protocol, there is a single bit of data passed * as the alert response's low bit ("event flag"). */ void (*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data); /* a ioctl like command that can be used to perform specific functions * with the device. */ int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg); struct device_driver driver; const struct i2c_device_id *id_table; /* Device detection callback for automatic device creation */ int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *); const unsigned short *address_list; struct list_head clients; };
i2c_client
struct i2c_client { unsigned short flags; /* div., see below */ unsigned short addr; /* chip address - NOTE: 7bit */ /* addresses are stored in the */ /* _LOWER_ 7 bits */ char name[I2C_NAME_SIZE]; struct i2c_adapter *adapter; /* the adapter we sit on */ struct i2c_driver *driver; /* and our access routines */ struct device dev; /* the device structure */ int irq; /* irq issued by device */ struct list_head detected; };i2c_adapter
struct i2c_adapter { struct module *owner; unsigned int id; unsigned int class; /* classes to allow probing for */ const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */ void *algo_data; /* data fields that are valid for all devices */ struct rt_mutex bus_lock; int timeout; /* in jiffies */ int retries; struct device dev; /* the adapter device */ int nr; char name[48]; struct completion dev_released; struct list_head userspace_clients; };i2c_algorithm
struct i2c_algorithm { /* If an adapter algorithm can't do I2C-level access, set master_xfer to NULL. If an adapter algorithm can do SMBus access, set smbus_xfer. If set to NULL, the SMBus protocol is simulated using common I2C messages */ /* master_xfer should return the number of messages successfully processed, or a negative value on error */ int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, 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); /* To determine what the adapter supports */ u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *); };
各结构体的作用与它们之间的关系
i2c_adapter与i2c_algorithm
i2c_adapter对应与物理上的一个适配器,而i2c_algorithm对应一套通信方法,一个i2c适配器需要i2c_algorithm中提供的(i2c_algorithm中的又是更下层与硬件相关的代码提供)通信函数来控制适配器上产生特定的访问周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了,因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指针。i2c_algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生i2c访问周期需要的start stop ack信号,以i2c_msg(即i2c消息)为单位发送和接收通信数据。
i2c_msg也非常关键,调用驱动中的发送接收函数需要填充该结构体
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#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 */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};
i2c_driver和i2c_client
i2c_driver对应一套驱动方法,其主要函数是attach_adapter()和detach_adapter()
i2c_client对应真实的i2c物理设备device,每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述
i2c_driver与i2c_client的关系是一对多。一个i2c_driver上可以支持多个同等类型的i2c_client.
i2c_adapter和i2c_client
i2c_adapter和i2c_client的关系与i2c硬件体系中适配器和设备的关系一致,即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一个适配器上可以连接多个i2c设备,所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的链表。从i2c驱动架构图中可以看出,linux内核对i2c架构抽象了一个叫核心层core的中间件,它分离了设备驱动device driver和硬件控制的实现细节(如操作i2c的寄存器),core层不但为上面的设备驱动提供封装后的内核注册函数,而且还为下面的硬件事件提供注册接口(也就是i2c总线注册接口),可以说core层起到了承上启下的作用。
具体分析
先看一下i2c-core为外部提供的核心函数(选取部分),i2c-core对应的源文件为i2c-core.c,位于内核目录/driver/i2c/i2c-core.c
i2c_transfer()函数:i2c_transfer()函数本身并不具备驱动适配器物理硬件完成消息交互的能力,它只是寻找到i2c_adapter对应的i2c_algorithm,并使用i2c_algorithm的master_xfer()函数真正的驱动硬件流程。
当一个具体的client被侦测到并被关联的时候,设备和sysfs文件将被注册。
相反的,在client被取消关联的时候,sysfs文件和设备也被注销,驱动开发人员在开发i2c设备驱动时,需要调用下列函数。
i2c_add_adapter()函数和i2c_del_adapter()在i2c-davinci.c中有调用,稍后分析
i2c-davinci.c是实现与硬件相关功能的代码集合,这部分是与平台相关的,也叫做i2c总线驱动
并且,i2c适配器控制硬件发送接收数据的函数在这里赋值给i2c-algorithm,i2c_davinci_xfer稍加修改就可以在裸机中控制i2c适配器
然后在davinci_i2c_probe函数中,将i2c_davinci_algo添加到添加到algorithm系统中
适配器驱动程序分析
在linux系统中,适配器驱动位于linux目录下的\drivers\i2c\busses下,不同的处理器的适配器驱动程序设计有差异,但是总体思路不变。在适配器的驱动中,实现两个结构体非常关键,也是整个适配器驱动的灵魂。
下面以某个适配器的驱动程序为例进行说明:
static struct platform_driver s3c24xx_i2c_driver = {
.probe = s3c24xx_i2c_probe,
.remove = s3c24xx_i2c_remove,
.id_table = s3c24xx_driver_ids,
.driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "s3c-i2c",
.pm = S3C24XX_DEV_PM_OPS,
},
};
以上说明这个驱动是基于平台总线的,这样实现的目的是与CPU紧紧联系起来。
<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {
.master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,
.functionality = s3c24xx_i2c_func,
};</span>
这个结构体也是非常的关键,这个结构体里面的函数s3c24xx_i2c_xfer是适配器算法的实现,这个函数实现了适配器与I2C
CORE的连接。
s3c24xx_i2c_func是指该适配器所支持的功能。
s3c24xx_i2c_xfer这个函数实质是实现I2C数据的发送与接收的处理过程。不同的处理器实现的方法不同,主要表现在寄存器的设置与中断的处理方法上。
把握上面的两点去分析适配器程序就简单多了。
I2C-core驱动程序分析
在I2C-core.c这个函数中,把握下面的几个关键函数就可以了。//增加/删除i2c_adapter
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)
//增加/删除i2c_driver
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)
//i2c_client依附/脱离
int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)
//增加/删除i2c_driver
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)
//i2c_client依附/脱离
int i2c_attach_client(struct i2c_client *client)
int i2c_detach_client(struct i2c_client *client)
//I2C传输,发送和接收
int i2c_master_send(struct i2c_client *client,const char *buf ,int count)
int i2c_master_recv(struct i2c_client *client, char *buf ,int count)
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)
I2c_transfer这个函数实现了core与adapter的联系。
代码调用层次图
有时候代码比任何文字描述都来得直接,但是过多的代码展示反而让人觉得枯燥。这个时候,需要一幅图来梳理一下上面的内容
上面这些代码的展示是告诉我们:linux内核和芯片提供商为我们的的驱动程序提供了 i2c驱动的框架,以及框架底层与硬件相关的代码的实现。
剩下的就是针对挂载在i2c两线上的i2c设备了device,而编写的即具体设备驱动了,这里的设备就是硬件接口外挂载的设备,而非硬件接口本身(soc硬件接口本身的驱动可以理解为总线驱动)
编写驱动需要完成的工作
编写具体的I2C驱动时,工程师需要处理的主要工作如下:1).提供I2C适配器的硬件驱动,探测,初始化I2C适配器(如申请I2C的I/O地址和中断号),驱动CPU控制的I2C适配器从硬件上产生。
2).提供I2C控制的algorithm, 用具体适配器的xxx_xfer()函数填充i2c_algorithm的master_xfer指针,并把i2c_algorithm指针赋给i2c_adapter的algo指针。
3).实现I2C设备驱动中的i2c_driver接口,用具体yyy的yyy_probe(),yyy_remove(),yyy_suspend(),yyy_resume()函数指针和i2c_device_id设备ID表赋给i2c_driver的probe,remove,suspend,resume和id_table指针。
4).实现I2C设备所对应类型的具体驱动,i2c_driver只是实现设备与总线的挂接。
上面的工作中前两个属于I2C总线驱动,后面两个属于I2C设备驱动。
文章取自于http://www.cnblogs.com/lcw/p/3297889.html
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