对技术执着
分类： LINUX
2015-03-14 15:38:30
原文地址：linux下IIC驱动开发分析 作者：formycuteboy
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IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。IIC总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。
IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。IIC总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分：
? 地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；
? 控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。
这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。
IIC总线在传送数据过程中共有三种类型信号：
? 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
? 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
? 数据传输信号：在开始条件以后，时钟信号SCL的高电平周期期问，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被读走，开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。
? 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
目前有很多半导体集成电路上都集成了IIC接口。带有IIC接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供IIC接口。
IIC规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。
在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。
写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序。
读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。
主机只能在总线空闲的时候启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最小持续内产生一个起始条件，结果在总线上产生一个规定的起始条件。
当SCL线是高电平时，仲裁在SDA线发生：这样，在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平和它自己的电平不同。
仲裁可以持续多位。从地址位开始，同一个器件的话接着就是数据位（如果主机-发送器），或者比较相应位（如果主机-接收器）。IIC总线的地址和数据信息由赢得仲裁的主机决定，在这个过程中不会丢失信息。
仲裁不能在下面情况之间进行：
? 重复起始条件和数据位；
? 停止条件和数据位；
? 重复起始条件和停止条件。
? IIC肯定是2线的(不算地线)IIC协议确实很科学,比3/4线的SPI要好,当然线多通讯速率相对就快了
? IIC的原则是
l 在SCL=1(高电平)时,SDA千万别忽悠!!!否则,SDA下跳则"判罚"为"起始信号S",SDA上跳则"判罚"为"停止信号P".
l 在SCL=0(低电平)时,SDA随便忽悠!!!(可别忽悠过火到SCL跳高)
? 每个字节后应该由对方回送一个应答信号ACK做为对方在线的标志.非应答信号一般在所有字节的最后一个字节后.一般要由双方协议签定.
? SCL必须由主机发送,否则天下大乱
? 首字节是"片选信号",即7位从机地址加1位方向(读写)控制.从机收到(听到)自己的地址才能发送应答信号(必须应答!!!)表示自己在线.其他地址的从机不允许忽悠!!!(当然群呼可以忽悠但只能听不许说话)
? 读写是站在主机的立场上定义的."读"是主机接收从机数据,"写"是主机发送数据给从机.
? 重复位主要用于主机从发送模式到接收模式的转换"信号",由于只有2线,所以收发转换肯定要比SPI复杂,因为SPI可用不同的边沿来收发数据,而IIC不行.
? 在硬件IIC模块,特别是MCU/ARM/DSP等每个阶段都会得到一个准确的状态码,根据这个状态码可以很容易知道现在在什么状态和什么出错信息.
? 7位IIC总线可以挂接127个不同地址的IIC设备,0号"设备"作为群呼地址.10位IIC总线可以挂接更多的10位IIC设备.
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Linux定义了系统的IIC驱动体系结构，在Linux系统中，IIC驱动由3部分组成，即IIC核心、IIC总线驱动和IIC设备驱动。这3部分相互协作，形成了非常通用、可适应性很强的IIC框架。
IIC 核心提供了IIC总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，IIC通信方法（即“algorithm”，笔者认为直译为“运算方法”并不合适，为免引起误解， 下文将直接使用“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。
在我们的Linux驱动的i2c文件夹下有algos，busses，chips三个文件夹，另外还有i2c-core.c和i2c-dev.c两个文件。
i2c-core.c文件实现了I2Ccore框架，是Linux内核用来维护和管理的I2C的核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2Cdriver结构和I2Cadapter结构。I2Ccore提供接口函数，允许一个I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化时在I2Ccore中进行注册，以及退出时进行注销。同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口，主要应用在I2C设备驱动中。
IIC总线驱动是对IIC硬件体系结构中适配器端的实现，适配器可由CPU控制，甚至直接集成在CPU内部。总线驱动的职责，是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯，它只是存在那里，等待设备驱动调用其函数。
IIC总线驱动主要包含了IIC适配器数据结构i2c_adapter、IIC适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制IIC适配器产生通信信号的函数。经由IIC总线驱动的代码，我们可以控制IIC适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写、产生ACK等。
Busses文件夹下的i2c-mpc.c文件实现了PowerPC下I2C总线适配器驱动，定义描述了具体的I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构，实现比较底层的对I2C总线访问的具体方法。I2Cadapter 构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，并通过接口函数向I2Ccore注册一个控制器。I2Cadapter主要实现对I2C总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2Cadpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。
IIC设备驱动是对IIC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IIC适配器上，通过IIC适配器与CPU交换数据。设备驱动则是与挂在I2C总线上的具体的设备通讯的驱动。通过I2C总线驱动提供的函数，设备驱动可以忽略不同总线控制器的差异，不考虑其实现细节地与硬件设备通讯。
IIC设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver和i2c_client，我们需要根据具体设备实现其中的成员函数。
i2c-dev.c文件中实现了I2Cdriver，提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，实现了对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C设备的接口，包括实现open，release，read，write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过 read和write函数完成对I2C设备的读写操作。
通过I2Cdriver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用I2C设备，我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。
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在系统开机时，首先装载的是I2C总线驱动。一个总线驱动用于支持一条特定的I2C总线的读写。一个总线驱动通常需要两个模块，一个struct i2c_adapter和一个struct i2c_algorithm来描述：
static struct i2c_adapter pb1550_board_adapter =
{
name: "pb1550 adapter",
id: I2C_HW_AU1550_PSC,
algo: NULL,
algo_data: &pb1550_i2c_info,
inc_use: pb1550_inc_use,
dec_use: pb1550_dec_use,
client_register: pb1550_reg,
client_unregister: pb1550_unreg,
client_count: 0,
};
这个样例挂接了一个叫做“pb1550 adapter”的驱动。但这个模块并未提供读写函数，具体的读写方法由第二个模块，struct i2c_algorithm提供。
static struct i2c_algorithm au1550_algo =
{
.name = "Au1550 algorithm",
.id = I2C_ALGO_AU1550,
.master_xfer = au1550_xfer,
.functionality = au1550_func,
};
i2c_adap->algo = &au1550_algo;
这个样例给上述总线驱动增加了读写“算法”。通常情况下每个I2C总线驱动都定义一个自己的读写算法，但鉴于有些总线使用相同的算法，因而可以共用同一套读写函数。本例中的驱动定义了自己的读写算法模块，起名叫“Au1550 algorithm”。
全部填妥后，通过调用：
i2c_add_adapter(i2c_adap);
将这两个模块注册到操作系统里，总线驱动就算装上了。对于AMD au1550，这部分已经由AMD提供了。
I2C的设备驱动是通过i2c_add_driver(&my_driver)向i2c-core注册的，my_driver中的核心是detach_client 和attach_adapter函数，在attach_adapter中通过probe探测到总线上的设备并把设备和驱动建立连接以完成设备的初始化。
设备驱动透过I2C总线同具体的设备进行通讯。一个设备驱动有两个模块来描述，struct i2c_driver和struct i2c_client。
当系统开机、I2C总线驱动装入完成后，就可以装入设备驱动了。首先装入如下结构：
static struct i2c_driver zlg7290_driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = DEV_NAME,
// .id = I2C_DRIVERID_ZLG7290,
.flags = I2C_DF_NOTIFY,
.attach_adapter = zlg7290_attach_adapter,
.detach_client = zlg7290_detach_client,
};
i2c_add_driver(&zlg7290_driver);
这个i2c_driver一旦装入完成，其中的attach_adapter函数就会被调用。
如何探测总线上的设备、Linux中i2c设备地址如何标识并引用？
I2C中, 典型的attach_adapter如下所示：
static int my_attach(struct i2c_adapter *adapter)
{
return i2c_probe(adapter, &addr_data, zlg7290_detect);
}
static int zlg7290_detect (struct i2c_adapter *adapter, int address, int kind)
{
..........
}
注意探测可能会找到多个设备，因而不仅一个I2C总线可以挂多个不同类型的设备，一个设备驱动也可以同时为挂在多个不同I2C总线上的设备服务。
每当设备驱动探测到了一个它能支持的设备，它就创建一个struct i2c_client来标识这个设备：
struct i2c_client *new_client;
……
new_client->addr = address;
new_client->adapter = adapter;
new_client->driver = &zlg7290_driver;
new_client->flags = 0;
/* Fill in the remaining client fields */
strlcpy(new_client->name, DEV_NAME, I2C_NAME_SIZE);
/* Tell the I2Clayer a new client has arrived */
if ((err = i2c_attach_client(new_client))){
printk("i2cattach client error.\n");
goto exit_kfree;
}
可见，一个i2c_client代表着位于adapter总线上，地址为address，使用zlg7290_driver来驱动的一个设备。它将总线驱动与设备驱动，以及设备地址绑定在了一起。一个i2c_client就代表着一个I2C设备。
当得到I2C设备后，就可以直接对此设备进行读写：
/*
* The master routines are the ones normally used to transmit data to devices
* on a bus (or read from them). Apart from two basic transfer functions to
* transmit one message at a time, a more complex version can be used to
* transmit an arbitrary number of messages without interruption.
*/
extern int i2c_master_send(struct i2c_client *,const char* ,int);
extern int i2c_master_recv(struct i2c_client *,char* ,int);
addr_data是在 include/linux/i2c.h 中定义的或自己在自己驱动程序中定义的一个i2c_client_address_data结构：
static struct i2c_client_address_data addr_data = { \
.normal_i2c = normal_i2c, \
.probe = probe, \
.ignore = ignore, \
.forces = forces, \
}
若自己不定义，则用i2c.h中的默认定义。
/* i2c_client_address_data is the struct for holding default client addresses for a driver and for the parameters supplied on the command line */
struct i2c_client_address_data {
unsigned short *normal_i2c;
unsigned short *probe;
unsigned short *ignore;
unsigned short **forces;
};
根据作者自行定义设备地址与否，有两种情形：
a. 采用默认定义，一般是不会work,毕竟大多数i2c-core中是不可能提前知道所接设备地址的，这样通过i2c_probe()探测肯定不可能找到，也不可能建立两者之间的联系；况且，i2c_probe()属于i2c-core中的函数，i2c-core中管理着所有注册过的设备和驱动列表，i2c_probe()中也不能随意传入地址，否则容易导致系统混乱或有潜在的风险，所以i2c-core也不允许这么做！
b. 作者自行定义地址结构
典型例子如下：
若自行定义，则参考如下：
/* Addresses to scan */
static unsigned short normal_i2c[] = {I2C_KS0127_ADDON>>1,
I2C_KS0127_ONBOARD>>1, I2C_CLIENT_END};/// 实际设备的地址List
static unsigned short probe[2] = {I2C_CLIENT_END, I2C_CLIENT_END};
static unsigned short ignore[2] = {I2C_CLIENT_END, I2C_CLIENT_END};
static struct i2c_client_address_data addr_data = {
normal_i2c,
probe,
ignore,
};
或者根本就不定义完整的i2c_client_address_data结构，只根据需要定义normal_i2c[],probe[],ignore[]，forces[][],然后调用i2c_probe(adapter,&addr_data, &my_probe) 即可。
在my_probe()中把实际的地址赋于i2c_client，调用i2c_set_clientdata()设置i2c_client->dev->drv_data,并调用i2c_attach_client(client)向系统注册设备。
最后，i2c_probe()中探测时的地址优先级：
forces[][], probe[], normal_i2c[](其中忽略ignore[]中的项)。
I2c设备在实际使用中比较广泛，sensor,rtc,audio, codec,etc. 因设备复杂性不同，Linux中有些驱动中对地址的定义不在同一文件，这时多数情况都在arch中对设备作为platform_device进行初始化并注册的代码中。
原文地址： 作者：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define DEV_NAME "zlg7290"
/* Addresses to scan */
static unsigned short normal_i2c[] = {0x38, I2C_CLIENT_END };
// Insmod parameters
I2C_CLIENT_INSMOD_1(zlg7290);
//I2C_CLIENT_INSMOD;
/* Each client has this additional data */
struct zlg7290_device {
struct i2c_client client;
struct cdev dev;
};
static int zlg7290_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter);
static int zlg7290_detect(struct i2c_adapter *adapter, int address, int kind);
static int zlg7290_detach_client(struct i2c_client *client);
static ssize_t zlg7290_key_read(struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp);
static ssize_t zlg7290_led_write(struct file *filp, const char *buff, size_t count, loff_t *offp);
static int zlg7290_open(struct inode *inode, struct file *filp);
/* This is the driver that will be inserted */
static struct i2c_driver zlg7290_driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = DEV_NAME,
// .id = I2C_DRIVERID_ZLG7290,
.flags = I2C_DF_NOTIFY,
.attach_adapter = zlg7290_attach_adapter,
.detach_client = zlg7290_detach_client,
};
static struct file_operations zlg7290_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = zlg7290_open,
// .release = led_release,
.write = zlg7290_led_write,
.read = zlg7290_key_read,
};
static int zlg7290_attach_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
{
// printk("In function %s\n", __FUNCTION__);
return i2c_probe(adapter, &addr_data, zlg7290_detect);
}
/* This function is called by i2c_probe */
static int zlg7290_detect(struct i2c_adapter *adapter, int address, int kind)
{
struct i2c_client *new_client;
struct zlg7290_device *pdev;
dev_t dev_no;
int err = 0;
/* There are three ways we can read the EEPROM data:
(1) I2Cblock reads (faster, but unsupported by most adapters)
(2) Consecutive byte reads (100% overhead)
(3) Regular byte data reads (200% overhead)
The third method is not implemented by this driver because all
known adapters support at least the second. */
// printk("In function %s\n", __FUNCTION__);
if (!i2c_check_functionality(adapter, I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA
| I2C_FUNC_SMBUS_BYTE)){
printk("i2ccheck functionality error.\n");
goto exit;
}
if (!(pdev = kmalloc(sizeof(struct zlg7290_device), GFP_KERNEL))) {
printk("Kmalloc error.\n");
err = -ENOMEM;
goto exit;
}
memset(pdev, 0, sizeof(struct zlg7290_device));
new_client = &pdev->client;
i2c_set_clientdata(new_client, pdev);
new_client->addr = address;
new_client->adapter = adapter;
new_client->driver = &zlg7290_driver;
new_client->flags = 0;
/* Fill in the remaining client fields */
strlcpy(new_client->name, DEV_NAME, I2C_NAME_SIZE);
/* Tell the I2Clayer a new client has arrived */
if ((err = i
