i2c子系统—i2c驱动框架-摩杜云开发者社区

I2C子系统

9.1 i2c物理总线
9.2 i2c基本通信协议

9.2.1 i2c总线特点
9.2.2 起始信号与停止信号
9.2.3 数据格式与应答信号
9.2.4 主机与从机通信

9.3 i2c驱动框架

9.3 驱动框架的组成部分
9.4 I2C设备核心驱动函数

9.1 i2c物理总线

i2c子系统—i2c驱动框架_#define

如上图所示，i2c支持一主多从，各设备地址独立，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s。总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

i2c物理总线是由两根双向信号线组成的，一根是数据线SDA（传输具体数据），另一根是时钟线SCL（数据收发同步）。i2c总线由主设备控制，主设备作为主机，可以控制各个从设备，这些从设备包括但不限于IO扩展器、各种传感器、EEPROM、ADC/DAC等。i2c总线采用漏极开路的设计，只会拉低总线，或“释放”它并让上拉电阻将其拉高。在空闲状态下，两条信号线经由上拉电阻后同时处于高电平，当想要传输低电平的逻辑时，会激活下拉场效应管，实现总线的拉低。

9.2 i2c基本通信协议

9.2.1 i2c总线特点

只需要SDA.SCL两条总线，这样芯片硬件设计、布线非常简单;
它是—种同步、串行、半双工通信方式，没有严格的波特率要求;
它是一种主从模式的通信协议，通信开始总是由主设备发起，从设备被动响应请求;
每个从设各都有一个独一无二的从设备地址用来表示该器件，同一总线上要仅持该地址唯—;
l2C是真正的多主设各总线，可提供仲裁和冲突检测;

9.2.2 起始信号与停止信号

当SCL线为高电平时，SDA线由高到低的下降沿，为传输开始标志(S)。直到主设备发出结束信号§，否则总线状态一直为忙。结束标志§为，当SCL线为高电平时，SDA线由低到高的上升沿。

i2c子系统—i2c驱动框架_驱动开发_02

开始信号(S)，SCL为高，SDA由高变低（SDA拉低）
结束信号§，SCL为高，SDA由低变高（SDA拉高）
响应信号（ACK）：接收器在收到8位数据后，在第9

9.2.3 数据格式与应答信号

i2c的数据字节定义为8-bits长度，对每次传送的总字节数量没有限制,但对每一次传输必须伴有一个应答(ACK)信号，其时钟由主设备提供，而真正的应答信号由从设备发出，在时钟为高时，通过拉低并保持SDA的值来实现。如果从设备忙，它可以使 SCL保持在低电平，这会强制使主设备进入等待状态。当从设备空闲后，并且释放时钟线，原来的数据传输才会继续。

9.2.4 主机与从机通信

i2C总线有7位寻址和10位寻址两种模式，通常我们使用7bit模式。这就使得/2C总线上理论上寻址模式的最大节点数为128(2"7)个或1024(2410)个。但I2C有16个保留从机地址，所有i2c最多有128-16=112个从机地址

开始标志(S)发出后，主设备会传送一个7位的Slave地址，并且后面跟着一个第8位为读写方向位，其中0表示写，1表示读，也称为Read/Write位。 R/W位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。然后，主设备释放SDA线，等待从设备的应答信号(ACK)。每个字节的传输都要跟随有一个应答位。应答产生时，从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。数据传输总是以停止标志（P）结束，然后释放通信线路。然而，主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备，而不发出结束标志。综上可知，所有的SDA信号变化都要在SCL时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志。

9.3 i2c驱动框架

i2c子系统(I2C总线设备的驱动框架)，目的是让驱动开发者可以在内核中方便地添加自己的I2C设备的驱动程序，从而可以更容易地在linux下驱动I2C设备。

我们知道一个i2c上可以挂在多个i2c设备，例如sht20、i2c接口的OLED显示屏、摄像头（摄像头通过i2c接口发送控制信息）等，这些设备共用一个i2c，这个i2c的驱动我们称为i2c总线驱动。而对应具体的设备,例如sht20的驱动就是i2c设备驱动。这样我们要使用sht20就需要拥有“两个驱动”一个是i2c总线驱动和sht20设备驱动。

i2c总线驱动由芯片厂商提供（驱动复杂，官方提供了经过测试的驱动，我们直接用)。
sht20设备驱动可以从sht20芯片厂家那里获得，也可以我们手动编写。

i2c子系统—i2c驱动框架_c语言_03

i2c总线包括i2c设备(i2c_client)和i2c驱动(i2c_driver), 当我们向linux中注册设备或驱动的时候，按照i2c总线匹配规则进行配对，配对成功，则可以通过i2c_driver中.prob函数创建具体的设备驱动。在现代linux中，i2c设备不再需要手动创建，而是使用设备树机制引入，设备树节点是与paltform总线相配合使用的。所以需先对i2c总线包装一层paltform总线，当设备树节点转换为平台总线设备时，我们在进一步将其转换为i2c设备，注册到i2c总线中。

设备驱动创建成功，我们还需要实现设备的文件操作接口(file_operations),file_operations中会使用到内核中i2c核心函数(i2c系统已经实现的函数，专门开放给驱动工程师使用)。使用这些函数会涉及到i2c适配器，也就是i2c控制器。由于ic2控制器有不同的配置，所有linux将每一个i2c控制器抽象成i2c适配器对象。这个对象中存在一个很重要的成员变量——Algorithm，Algorithm中存在一系列函数指针，这些函数指针指向真正硬件操作代码。

9.3 驱动框架的组成部分

I2C设备驱动层（I2C_client，I2C_driver）
和具体I2C接口的外设相关，每种外设都有自己的专属I2C驱动代码。
包括两部分：I2C从设备的注册、I2C设备驱动的注册。
I2C核心层（I2C_core）
I2C核心层提供了I2C总线驱动和I2C设备驱动的注册、匹配与注销方法，I2C通信方法，上层中与具体硬件无关的代码，以及探测设备检测设备地址的上层代码等。换言之，管理I2C驱动和I2C设备的注册、匹配，实现I2C的通信方法，是对I2C通信的抽象框架，与具体硬件无关。
I2C适配器层（I2C_adapter, I2C_algorithm）
这里说的I2C适配器，也就是I2C主设备，对应着Soc的I2C控制器，把I2C控制器看做一个设备，实现I2C控制器的驱动代码，和具体的Soc相关。
I2C总线驱动是I2C适配器的软件实现，或者说是SoC中内置的I2C控制器的软件抽象，可以将其理解为I2C主设备，它提供了I2C适配器与从设备间数据通信的功能。
I2C总线驱动用 I2C_adapter 和 I2C_algorithm 来描述I2C适配器。

9.4 I2C设备核心驱动函数

（1）i2c_add_driver()宏，注册一个i2c驱动 (内核源码/include/linux/i2c.h)

#define i2c_add_driver(driver)

（2）i2c_register_driver()函数，注册一个i2c驱动 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)

int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver) 
/**
*		owner： 一般为 THIS_MODULE    
*		driver： 要注册的 i2c_driver
**/

（3）i2c_del_driver()函数，将前面注册的 i2c_driver 从 Linux 内核中注销掉

void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)   
/**
*		driver：要注销的 i2c_driver
**/

（4）i2c_transfer()函数，最终就是调用我们前面的i2c_imx_xfer()函数来实现数据传输。
收发i2c消息

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num) 
/**
*		adap ： struct i2c_adapter 结构体，收发消息所使用的i2c适配器，i2c_client 会保存其对应的 i2c_adapter
*		msgs： struct i2c_msg 结构体，i2c要发送的一个或多个消息
*		num ： 消息数量，也就是msgs的数量
**/

I2C 进行数据收发说白了就是消息的传递，Linux 内核使用 i2c_msg 结构体来描述一个消息
使用i2c_transfer 函数之前需要先构建好i2c_msg

struct i2c_msg { 
	
	        __u16 addr; /* 从机地址 */ 
	        __u16 flags; /* 标志 */ 
	        #define I2C_M_TEN 0x0010
	        #define I2C_M_RD 0x0001 
	        #define I2C_M_STOP 0x8000
	        #define I2C_M_NOSTART 0x4000
	
	        #define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000
	        #define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000
	        #define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 
	        #define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 
	        __u16 len; /* 消息(本 msg)长度 */ 
	        __u8 *buf; /* 消息数据 */ 
};

（5）用于数据传输的其他API
I2C 数据发送函数为 i2c_master_send，函数原型如下：

int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, const char *buf, int  count)   
/**
*		client：I2C 设备对应的 i2c_client。
*		buf：要发送的数据。
*		count：要发送的数据字节数，要小于 64KB，以为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无 符号 16 位)类型的数据。
**/

I2C 数据接收函数为 i2c_master_recv，函数原型如下：

int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char *buf, int   count)   
/**
*		client：I2C 设备对应的 i2c_client。
*		buf：要接收的数据。
*		count：要接收的数据字节数，要小于 64KB，以为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无 符号 16 位)类型的数据。
**/