Linux I2C驱动完全分析（一）

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博主按：其实老早就想写这个I2C的了，期间有各种各样的事情给耽误了。借着五一放假的时间把这个写出来，供同志们参考。以后会花一些时间深入研究下内核，虽然以前对内核也有所了解，但是还不系统。I2C的硬件结构并不复杂，一个适配器加几个设备而已。Linux下驱动的体系结构看着挺复杂，实际也是比较简单的。在本文中我还是使用实际的例子，结合硬件和软件两个方面来介绍。希望能给初学的同志们一些帮助，另外抛砖引玉，希望高手能给一些指点。话不多说，开整！~

本文用到的一些资源：

1. Source Insight软件

2. mini2440原理图。 下载地址http://wenku.baidu.com/view/0521ab8da0116c175f0e48fe.html

3. S3C2440 datasheet

4. AT24C08 datasheet

5. Bq27200 datasheet

6. kernel 2.6.31中的At24.c ，Bq27x00_battery.c和i2c-s3c2410.c

7. mini2440的板文件mach-mini2440.c

8. 参考资料：《linux设备驱动开发详解（第2版）》 by 宋宝华

本文的结构：

第一部分：At24C08驱动

1. mini2440中at24c08的电气连接

2. Linux中I2C驱动框架分析

3. I2C总线驱动代码分析

4. at24c08驱动代码分析

第二部分：Bq27200驱动

1. Bq27200的典型应用电路

2. 主要分析一下ba27x00的代码，对比at24c08来加深理解。

---------------------我是分割线----------------------

第一部分

1. mini2440中at24c08的电气连接及其板文件

如下图。





24C08的I2C接口是与2440的IICSCL/IICSDA直接相连的。在2440内部集成了一个I2C控制器，可以通过寄存器来控制它。先来和这四个寄存器混个脸熟吧，后面分析时还会经常用到这四个寄存器。



在mini2440的板文件中可以找到关于at24c08的内容，如下：

[c-sharp] view
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/*

* I2C devices

*/

static struct at24_platform_data at24c08 = {

.byte_len = SZ_8K / 8,

.page_size = 16,

};

static struct i2c_board_info mini2440_i2c_devs[] __initdata = {

{

I2C_BOARD_INFO("24c08", 0x50),

.platform_data = &at24c08,

},

};

static void __init mini2440_init(void)

{

... ...

i2c_register_board_info(0, mini2440_i2c_devs,

ARRAY_SIZE(mini2440_i2c_devs));

... ...

}

可以看出，在mini2440的init函数中注册了一个i2c的设备，这个设备我们使用了一个结构体i2c_board_info来描述。这个结构体定义在i2c.h文件中。如下：

[c-sharp] view
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struct i2c_board_info {

char type[I2C_NAME_SIZE];

unsigned short flags;

unsigned short addr;

void *platform_data;

struct dev_archdata *archdata;

int irq;

};

其中的platform_data又指向一个at24_platform_data结构体。

以上只是at24c08的部分，在板文件中还可以看到关于2440内部i2c控制器的部分，如下：

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static struct platform_device *mini2440_devices[] __initdata = {

... ...

&s3c_device_i2c0,

... ...

};

static void __init mini2440_init(void)

{

... ...

platform_add_devices(mini2440_devices, ARRAY_SIZE(mini2440_devices));

... ...

}

其中s2c_device_i2c0定义在arch/arm/plat-s3c/Dev-i2c0.c中（在同一目录下还可以看到很多Dev-开头的c文件，都是2440内部集成的各种设备），仔细看下面的代码再对比2440的datasheet就可以很清楚的知道：

* 控制器的IO起始地址为S3C_PA_IIC =0x54000000，大小是4K，中断号是43 = IRQ_IIC S3C2410_IRQ(27)

* 控制器名是"s3c2410-i2c"

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static struct resource s3c_i2c_resource[] = {

[0] = {

.start = S3C_PA_IIC,

.end = S3C_PA_IIC + SZ_4K - 1,

.flags = IORESOURCE_MEM,

},

[1] = {

.start = IRQ_IIC,

.end = IRQ_IIC,

.flags = IORESOURCE_IRQ,

},

};

struct platform_device s3c_device_i2c0 = {

.name = "s3c2410-i2c",

#ifdef CONFIG_S3C_DEV_I2C1

.id = 0,

#else

.id = -1,

#endif

.num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_i2c_resource),

.resource = s3c_i2c_resource,

};

2. Linux中I2C驱动框架分析

这部分是本文的重点部分。根据上面的电气连接关系我们可以看出，我们要想操作24c08，必须要做两方面的驱动。

第一方面： 2440中I2C控制器的驱动，有了这部分驱动，我们才可以操作控制器来产生I2C的时序信号，来发送数据和接收数据。

第二方面： 24C08的驱动，有了这部分驱动，才能使用控制器正确操作芯片，来读取和存放数据。

在Linux系统中，对上边第一方面的实现叫做I2C总线驱动，对第二方面的实现叫做I2C设备驱动。一般来说，如果CPU中集成了I2C控制器并且Linux内核支持这个CPU，那么总线驱动方面就不用我们操心了，内核已经做好了。但如果CPU中没有I2C控制器，而是外接的话，那么就要我们自己实现总线驱动了。对于设备驱动来说，一般常用的驱动也都包含在内核中了，如果我们用了一个内核中没有的芯片，那么就要自己来写了。

Linux中I2C体系结构如下图所示（图片来源于网络）。图中用分割线分成了三个层次：用户空间（也就是应用程序），内核（也就是驱动部分）和硬件（也就是实际物理设备，这里就是2440中的i2c控制器和at24c08）。这个够清晰了吧？我们现在就是要研究中间那一层。



由上图我们还可以看出哪些信息呢？

1). 可以看到几个重要的组成部分，它们是：Driver，Client，i2c-dev，i2c-core，Algorithm，Adapter。这几个部分在内核中都有相应的数据结构，定义在i2c.h文件中，尽量避免粘贴打断代码来凑数，就不贴出来了。简要概括一下每个结构体的意义。

Driver --> struct i2c_driver

这个结构体对应了驱动方法，重要成员函数有probe，remove，suspend，resume。

还包括一个重要的数据结构: struct i2c_device_id *id_table; 如果驱动可以支持好几个设备，那么这里面就要包含这些设备的ID

Client --> struct i2c_client

应用程序是选择性失明的，它只能看到抽象的设备文件，其他部分都是看不见的。图中只有Client与应用程序有联系，所以我们可以大胆得出结论：这个Client是对应于真实的物理设备，在本文就是at24c08。 所以很显然这个结构体中的内容应该是描述设备的。包含了芯片地址，设备名称，设备使用的中断号，设备所依附的控制器，设备所依附的驱动等内容。

Algorithm -->struct i2c_algorithm

Algorithm就是算法的意思。在这个结构体中定义了一套控制器使用的通信方法。其中关键函数是master_xfer()。我们实际工作中的重要一点就是要实现这个函数。

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int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

Adapter --> struct i2c_adapter

这个结构体对应一个控制器。其中包含了控制器名称，algorithm数据，控制器设备等。

2). 可以看出，i2c-core起到了关键的承上启下的作用。事实上也是这样，我们将从这里展开来分析。源代码位于drivers/i2c/i2c-core.c中。在这个文件中可以看到几个重要的函数。

*增加/删除i2c控制器的函数

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int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)

int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)

*增加/删除设备驱动的函数

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int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)

void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)

*增加/删除i2c设备的函数

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struct i2c_client *

i2c_new_device(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_board_info const *info);

void i2c_unregister_device(struct i2c_client *client)

注：在2.6.30版本之前使用的是i2c_attach_client()和i2c_detach_client()函数。之后attach被merge到了i2c_new_device中，而detach直接被unresister取代。实际上这两个函数内部都是调用了device_register()和device_unregister()。源码如下：

*I2C传输、发送和接收函数

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int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

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);

其中send和receive分别都调用了transfer函数，而transfer也不是直接和硬件交互，而是调用algorithm中的master_xfer()函数，所以我们要想进行数据传输，必须自己来实现这个master_xfer()函数，这是总线驱动开发的重点之一。下面以read()系统调用的流程来简单梳理一下：



博主按：大热的天，刚刚负重从五道口走到石板房，大约4公里吧。终于让我找了一个咖啡屋休息一下，继续写这篇驱动分析。单身的生活就是这样无聊啊。 不发牢骚了，活出个样儿来给自己看！千难万险脚下踩，啥也难不倒咱！继续整！~

先说一下，本文中有个疑惑，一直没有搞懂，写在这里，望高人指点一二，不胜感激！

#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 */

这里I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING 是什么意思？为什么定义这些东东？看了注释也不太理解。求解释！

3. I2C总线驱动代码分析

s3c2440的总线驱动代码在i2c-s3c2410.c中。照例先从init看起。

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static int __init i2c_adap_s3c_init(void)

{

return platform_driver_register(&s3c24xx_i2c_driver);

}

在init中只是调用了平台驱动注册函数注册了一个i2c的平台驱动s3c24xx_i2c_driver。这个驱动是一个platform_driver的结构体变量。注意这里不是i2c_driver结构体，因为i2c_driver是对设备的驱动，而这里对控制器的驱动要使用platform_driver

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static struct platform_driver s3c24xx_i2c_driver = {

.probe = s3c24xx_i2c_probe,

.remove = s3c24xx_i2c_remove,

.suspend_late = s3c24xx_i2c_suspend_late,

.resume = s3c24xx_i2c_resume,

.id_table = s3c24xx_driver_ids,

.driver = {

.owner = THIS_MODULE,

.name = "s3c-i2c",

},

};

同样的，重要的函数还是那几个：probe，remove，suspend_late，resume。再加上一个id_table和device_driver结构体变量。

下面逐个分析：

* probe函数

当调用platform_driver_register函数注册platform_driver结构体时，probe指针指向的s3c24xx_i2c_probe函数将会被调用。这部分详细解释参考本博客另一篇文章《S3C2410看门狗驱动分析》。细心的朋友可能会发现，在s3c24xx_i2c_driver中，驱动的名字是"s3c-i2c"，而在板文件中可以看到，设备的名字是"s3c2410-i2c"，这两个名字不一样，那驱动和设备是如何match的呢？答案就在于id_table。这个id_table包含了驱动所支持的设备ID表。在match的时候，判断这个表中的名字是不是和设备一致，一致则match成功。这也是为什么一个驱动可以同时match成功多个设备的原因。如果只是靠platform_driver-->driver中的名字来匹配的话，那么驱动和设备只能是一对一的关系了。

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static struct platform_device_id s3c24xx_driver_ids[] = {

{

.name = "s3c2410-i2c",

.driver_data = TYPE_S3C2410,

}, {

.name = "s3c2440-i2c",

.driver_data = TYPE_S3C2440,

}, { },

};

扯远了，还是看看probe的代码吧~

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static int s3c24xx_i2c_probe(struct platform_device *pdev)

{

struct s3c24xx_i2c *i2c;

struct s3c2410_platform_i2c *pdata;

struct resource *res;

int ret;

pdata = pdev->dev.platform_data;

if (!pdata) {

dev_err(&pdev->dev, "no platform data/n");

return -EINVAL;

}

//给s3c24xx_i2c结构体申请空间

i2c = kzalloc(sizeof(struct s3c24xx_i2c), GFP_KERNEL);

if (!i2c) {

dev_err(&pdev->dev, "no memory for state/n");

return -ENOMEM;

}

//填充s3c24xx_i2c结构体中各项，包括名称、所有者、算法、所属class等等

strlcpy(i2c->adap.name, "s3c2410-i2c", sizeof(i2c->adap.name));

i2c->adap.owner = THIS_MODULE;

i2c->adap.algo = &s3c24xx_i2c_algorithm; //这个下面会重点介绍

i2c->adap.retries = 2;

i2c->adap.class = I2C_CLASS_HWMON | I2C_CLASS_SPD;

i2c->tx_setup = 50;

spin_lock_init(&i2c->lock);

init_waitqueue_head(&i2c->wait);

/* find the clock and enable it */

// 找到i2c始终并且使能它

i2c->dev = &pdev->dev;

i2c->clk = clk_get(&pdev->dev, "i2c");

if (IS_ERR(i2c->clk)) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot get clock/n");

ret = -ENOENT;

goto err_noclk;

}

dev_dbg(&pdev->dev, "clock source %p/n", i2c->clk);

clk_enable(i2c->clk);

/* map the registers */

/*映射寄存器*/

res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);

if (res == NULL) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot find IO resource/n");

ret = -ENOENT;

goto err_clk;

}

i2c->ioarea = request_mem_region(res->start, resource_size(res),

pdev->name);

if (i2c->ioarea == NULL) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot request IO/n");

ret = -ENXIO;

goto err_clk;

}

i2c->regs = ioremap(res->start, resource_size(res));

if (i2c->regs == NULL) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot map IO/n");

ret = -ENXIO;

goto err_ioarea;

}

dev_dbg(&pdev->dev, "registers %p (%p, %p)/n",

i2c->regs, i2c->ioarea, res);

/* setup info block for the i2c core */

i2c->adap.algo_data = i2c;

i2c->adap.dev.parent = &pdev->dev;

/* initialise the i2c controller */

/*s3c24xx_i2c结构体变量i2c的必要的信息都填充完了以后，开始进行初始化*/

ret = s3c24xx_i2c_init(i2c);

if (ret != 0)

goto err_iomap;

/* find the IRQ for this unit (note, this relies on the init call to

* ensure no current IRQs pending

*/

//接下来申请中断

i2c->irq = ret = platform_get_irq(pdev, 0);

if (ret <= 0) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot find IRQ/n");

goto err_iomap;

}

ret = request_irq(i2c->irq, s3c24xx_i2c_irq, IRQF_DISABLED,

dev_name(&pdev->dev), i2c);

if (ret != 0) {

dev_err(&pdev->dev, "cannot claim IRQ %d/n", i2c->irq);

goto err_iomap;

}

ret = s3c24xx_i2c_register_cpufreq(i2c);

if (ret < 0) {

dev_err(&pdev->dev, "failed to register cpufreq notifier/n");

goto err_irq;

}

/* Note, previous versions of the driver used i2c_add_adapter()

* to add the bus at any number. We now pass the bus number via

* the platform data, so if unset it will now default to always

* being bus 0.

*/

i2c->adap.nr = pdata->bus_num;

//看到了吧？下面调用了i2c-core中的i2c_add_adapter函数来添加一个i2c控制器

//i2c_add_numbered_adapter和i2c_add_adapter的区别在于前者用来添加一个在CPU内

//部集成的适配器，而后者用来添加一个CPU外部的适配器。显然这里应该用前者。

ret = i2c_add_numbered_adapter(&i2c->adap);

if (ret < 0) {

dev_err(&pdev->dev, "failed to add bus to i2c core/n");

goto err_cpufreq;

}

platform_set_drvdata(pdev, i2c);

dev_info(&pdev->dev, "%s: S3C I2C adapter/n", dev_name(&i2c->adap.dev));

return 0;

err_cpufreq:

s3c24xx_i2c_deregister_cpufreq(i2c);

err_irq:

free_irq(i2c->irq, i2c);

err_iomap:

iounmap(i2c->regs);

err_ioarea:

release_resource(i2c->ioarea);

kfree(i2c->ioarea);

err_clk:

clk_disable(i2c->clk);

clk_put(i2c->clk);

err_noclk:

kfree(i2c);

return ret;

}

*remove函数

这是和probe相反的一个函数，在i2c_adap_s3c_exit时调用。主要功能是注销适配器，释放中断，释放内存区域，禁止始终等等。看到上边代码中的err_的各个部分了吧？ remove是它们的汇总。

*suspend函数和resume函数

把这两个放一起说吧，挂起和恢复函数。挂起时保存状态并置标志位，恢复时重新初始化i2c适配器并置标志位。

Algorithm

哎呀我去，终于到这了。憋得我难受啊。这里要重点介绍一下，不仅要知其然，还要知其所以然，这样我们以后自己写驱动的时候就有把握了。

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static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {

.master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,

.functionality = s3c24xx_i2c_func,

};

这里实现的就是这个s3c24xx_i2c_xfer。这个是控制器能不能动作的关键，缺了这个，控制器就是废铜烂铁。

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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;

}

完成任务的函数是s3c24xx_i2c_doxfer()，源码清单如下，

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static int s3c24xx_i2c_doxfer(struct s3c24xx_i2c *i2c,

struct i2c_msg *msgs, int num)

{

unsigned long timeout;

int ret;

if (i2c->suspended)

return -EIO;

ret = s3c24xx_i2c_set_master(i2c);

if (ret != 0) {

dev_err(i2c->dev, "cannot get bus (error %d)/n", ret);

ret = -EAGAIN;

goto out;

}

spin_lock_irq(&i2c->lock);

i2c->msg = msgs;

i2c->msg_num = num;

i2c->msg_ptr = 0;

i2c->msg_idx = 0;

i2c->state = STATE_START;

s3c24xx_i2c_enable_irq(i2c);

s3c24xx_i2c_message_start(i2c, msgs);

spin_unlock_irq(&i2c->lock);

timeout = wait_event_timeout(i2c->wait, i2c->msg_num == 0, HZ * 5);

ret = i2c->msg_idx;

/* having these next two as dev_err() makes life very

* noisy when doing an i2cdetect */

if (timeout == 0)

dev_dbg(i2c->dev, "timeout/n");

else if (ret != num)

dev_dbg(i2c->dev, "incomplete xfer (%d)/n", ret);

/* ensure the stop has been through the bus */

msleep(1);

out:

return ret;

}

上面代码可以分成几个部分来看：

* s3c24xx_i2c_set_master() 这个函数每隔1ms查看一次i2c总线状态，timeout是400ms，如果在这期间总线状态不忙，则返回零。否则返回-ETIMEDOUT

* 将要发送的消息和其他信息付给i2c->msg和其他变量，并将状态设置为STATE_START

* s3c24xx_i2c_enable_irq() 使能中断

* s3c24xx_i2c_message_start() 重中之重啊。在看代码之前先来看看2440的datasheet上是怎么说的吧。



代码清单如下：

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static void s3c24xx_i2c_message_start(struct s3c24xx_i2c *i2c,

struct i2c_msg *msg)

{

unsigned int addr = (msg->addr & 0x7f) << 1;

unsigned long stat;

unsigned long iiccon;

stat = 0;

stat |= S3C2410_IICSTAT_TXRXEN;

if (msg->flags & I2C_M_RD) {//如果是read data, from slave to master stat |= S3C2410_IICSTAT_MASTER_RX;

addr |= 1;

} else

stat |= S3C2410_IICSTAT_MASTER_TX;

if (msg->flags & I2C_M_REV_DIR_ADDR)

addr ^= 1;

/* todo - check for wether ack wanted or not */

s3c24xx_i2c_enable_ack(i2c);

iiccon = readl(i2c->regs + S3C2410_IICCON);

writel(stat, i2c->regs + S3C2410_IICSTAT);

dev_dbg(i2c->dev, "START: %08lx to IICSTAT, %02x to DS/n", stat, addr);

writeb(addr, i2c->regs + S3C2410_IICDS);

/* delay here to ensure the data byte has gotten onto the bus

* before the transaction is started */

ndelay(i2c->tx_setup);

dev_dbg(i2c->dev, "iiccon, %08lx/n", iiccon);

writel(iiccon, i2c->regs + S3C2410_IICCON);

stat |= S3C2410_IICSTAT_START;

writel(stat, i2c->regs + S3C2410_IICSTAT);

}

（今天没写完啊，明天继续~）