msm7227平台linux I2C驱动分析(2.6.29)

目录
1. 摘要 3
2. 简介 3
3. I2C架构 3
4. I2C总线初始化 4
5. I2C适配器驱动 5
6. I2C设备驱动 9
7. 用户空间驱动支持 12
8. 数据传输框架 16
9. References 16

 

1. 摘要
主要介绍Msm7227平台上I2C驱动原理，多数部分是29内核标准架构。
2. 简介
I2C只有两条线,一条串行数据线:SDA,一条是时钟线SCL。I2C是一种多主机控制总线，同一总线上可允许多个master.
i2c总线适配器（adapter）就是一条i2c总线的控制器，在物理连接上若干i2c设备。在linux驱动中，每种处理器平台有自己的适配器驱动。
3. I2C架构

内核中i2c相关代码可以分为三个层次：
i2c框架层：i2c.h和i2c-core.c为其主体框架代码，提供了核心数据结构的定义、i2c适配器驱动和设备驱动的注册、注销管理等；i2c-dev.c用于创建i2c适配器的/dev/i2c-%d设备节点，提供i2c设备的用户空间访问方法等。
i2c总线适配器驱动：i2c/busses/目录下，如i2c-msm.c。定义描述具体i2c总线适配器的i2c_adapter数据结构、实现在具体i2c适配器上的i2c总线通信的具体实现，并由i2c_algorithm数据结构描述与i2c设备通信的方法。
i2c设备驱动：定义描述具体设备的i2c_client和可能的私有数据结构。

                    
 
 上图展示了内核I2C结构大整体框架，以下根据内核加载顺序介绍I2C总线初始化，I2C总线适配器驱动，I2C设备驱动和用户空间驱动支持及数据传输框架五部分介绍。
4. I2C总线初始化
 
该过程主要完成了sysfs总线结构，最终形成如下结构：
/sys/bus/i2c/
|-- devices
|-- drivers
|   |-- dummy
|      |-- bind
|      |-- uevent
|      `-- unbind
|-- drivers_autoprobe
|-- drivers_probe
`-- uevent
和
/sys/class/i2c-adapter/
dummy_driver 仅仅是注册了一个空的设备驱动，注册驱动时会遍历加载/sys/class/i2c-adapter/中的所有设备，该过程在初始话总线过程中完成， /sys/class/i2c-adapter/基本为空，所以我认为这里的驱动注册只是验证i2c总线结构的完整性考虑的。
5. I2C适配器驱动

Linux内核的所有适配器驱动程序都在driver/i2c/busses/目录下，当前高通的驱动是i2c-msm.c,适配器驱动的注册过程如下：

 
在 kernel中提供了两个adapter注册接口,分别为i2c_add_adapter()和i2c_add_numbered_adapter(). 由于在系统中可能存在多个adapter，因为将每一条I2C总线对应一个编号,下文中称为I2C总线号。对于i2c_add_adapter()而言, 它使用的是动态总线号,即由系统给其分配一个总线号，而i2c_add_numbered_adapter()则是自己指定总线号，如果这个总线号非法或 者是被占用，就会注册失败。高通的adapter驱动使用了i2c_add_numbered_adapter()注册，总线号最初保存在 platform_data中。
I2C adapter以platform_device方式注册进系统，在proble函数中初始化了struct i2c_adapter结构：

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;

 /* --- administration stuff. */
 int (*client_register)(struct i2c_client *);
 int (*client_unregister)(struct i2c_client *);

 /* data fields that are valid for all devices */
 u8 level;    /* nesting level for lockdep */
 struct mutex bus_lock;
 struct mutex clist_lock;

 int timeout;   /* in jiffies */
 int retries;
 struct device dev;  /* the adapter device */

 int nr; /*该成员描述了总线号*/
 struct list_head clients; /* i2c_client结构链表，该结构包含device，driver和
adapter结构*/
 char name[48];
 struct completion dev_released;
};

其中nr的值是在arch/arm/mach-msm/devices.c中定义的：

struct platform_device msm_device_i2c = {
 .name  = "msm_i2c",
 .id  = 0,
 .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c),
 .resource = resources_i2c,
};
struct platform_device msm_device_i2c_2 = {
 .name  = "msm_i2c",
 .id  = 2,
 .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c_2),
 .resource = resources_i2c_2,
};

该结构以参数形式传进i2c_add_numbered_adapter()，下一步将进入

static int i2c_register_adapter(struct i2c_adapter *adap)
{
 int res = 0, dummy;

 /* Can't register until after driver model init */
 if (unlikely(WARN_ON(!i2c_bus_type.p)))
  return -EAGAIN;

 mutex_init(&adap->bus_lock);
 mutex_init(&adap->clist_lock);
 INIT_LIST_HEAD(&adap->clients);/*初始化设备链表*/

 mutex_lock(&core_lock);

 /* Add the adapter to the driver core.
  * If the parent pointer is not set up,
  * we add this adapter to the host bus.
  */
 if (adap->dev.parent == NULL) {
  adap->dev.parent = &platform_bus;/*父设备是platform_bus*/
  pr_debug("I2C adapter driver [%s] forgot to specify "
    "physical device/n", adap->name);
 }
 dev_set_name(&adap->dev, "i2c-%d", adap->nr);/*设备节点名字*/
 adap->dev.release = &i2c_adapter_dev_release;
 adap->dev.class = &i2c_adapter_class;
 res = device_register(&adap->dev); /*注册adapter这个设备本身*/
 if (res)
  goto out_list;

 dev_dbg(&adap->dev, "adapter [%s] registered/n", adap->name);

 /*以下部分完成i2c设备和驱动的注册*/
 if (adap->nr < __i2c_first_dynamic_bus_num)/*主板初始化时的动态总线号，该值已导出符号表*/
  i2c_scan_static_board_info(adap);/*完成新类型i2c设备的注册，一般只在主板初始化时*/

 /* Notify drivers */
 dummy = bus_for_each_drv(&i2c_bus_type, NULL, adap,
     i2c_do_add_adapter);  /*探测总线上的所有i2c设备驱动，同时完成client、driver、device、adapter的绑定，但driver->address_data非空的情况下有用，而这又意味着只对旧的i2c机制有效*/

out_unlock:
 mutex_unlock(&core_lock);
 return res;

out_list:
 idr_remove(&i2c_adapter_idr, adap->nr);
 goto out_unlock;
}

i2c_scan_static_board_info对应的初始化过程在board-msm7x27.c中完成，
i2c_register_board_info(0, i2c_devices, ARRAY_SIZE(i2c_devices));
6. I2C设备7. 驱动
驱动的编写方法已在《msm7227-I2C设备驱动实现要点.doc》中介绍，此节分析驱动和设备的注册过程。
 
本还想详细分析代码，但发现，这张图已经足够说明i2c驱动的注册过程了，下面对我看代码时碰到的一些问题简要分析。
设备和驱动的关联
大 家知道，对于一个驱动程序有两个元素不可或缺，即设备和驱动，一般驱动都是通过设备名和驱动名的匹配建立关系的，我从i2c/chips/里看到的示例代 码了只能发现驱动的注册，却不见设备注册的踪影，令人疑惑，跟踪发现，在i2c adapter注册时会遍历i2c_board_info这样一个结构，而这个结构在29以前或更早的内核里是不存在的，该数据结构在board- msm7x27.c中初始化了i2c设备名及设备地址，这便解决了驱动与设备的匹配问题，同时器件地址的提供也有所改变，旧的内核是在驱动中使用一个 normal_i2c数组保存地址的。
名字匹配
一个i2c驱动是可以有多个名字的，即一个驱动程序可以支持多个设备，该机制是通过 struct i2c_device_id实现的，驱动中建立这么一个结构体数组，i2c架构层便会扫描该数组，与设备名去匹配，匹配成功的都会进入相应probe函数。
进入probe
该过程困惑了我一段时间，其实要进入自己驱动的probe首先需要进入总线的probe，而进入总线probe的前提是与总线的match成功，具体实现大家可以根据上面的图看一下相应代码便知。
设备模型
I2C的架构充分利用的设备模型的原理及sysfs的实现，我认为理解i2C架构前先了解一下设备模型是很有必要的。这里将我的个人理解总结一下：
 Kobject 是设备模型的最小单位，kset是对kobject的集合，struct driver_private、struct device等结构都内嵌了kobject，kset也内嵌kobject用于表征自己。相同特性的kset的合集又构成了subsys，举个不太恰当的 类比：
kobject之于设备或驱动；kset之于某一类设备，如i2c；subsys之于子系统，如输入子系统。其实在29内核中subsys就是一个kset结构，贴两张图理解一下：
 
8. 用户空间驱动支持
这部分在i2c-dev.c中实现，这部分内容简单的说就是通过内嵌一个具有file_operations的标准字符设备驱动来虚拟i2c设备，这样，就可以在用户空间直接操作i2c设备了。
流程如下图：
 
余下的就是常规file_operation了，open操作：

static int i2cdev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
 unsigned int minor = iminor(inode);
 struct i2c_client *client;
 struct i2c_adapter *adap;
 struct i2c_dev *i2c_dev;
 int ret = 0;

 lock_kernel();/*内核上锁，一般只在多cpu是有用*/
 i2c_dev = i2c_dev_get_by_minor(minor);/*因为有两个adapter，同一个主设备号*/
 if (!i2c_dev) {
  ret = -ENODEV;
  goto out;
 }

 adap = i2c_get_adapter(i2c_dev->adap->nr);
 if (!adap) {
  ret = -ENODEV;
  goto out;
 }

 /* This creates an anonymous i2c_client, which may later be
  * pointed to some address using I2C_SLAVE or I2C_SLAVE_FORCE.
  *
  * This client is ** NEVER REGISTERED ** with the driver model
  * or I2C core code!!  It just holds private copies of addressing
  * information and maybe a PEC flag.
  */
 client = kzalloc(sizeof(*client), GFP_KERNEL);
 if (!client) {
  i2c_put_adapter(adap);
  ret = -ENOMEM;
  goto out;
 }
 snprintf(client->name, I2C_NAME_SIZE, "i2c-dev %d", adap->nr);
 client->driver = &i2cdev_driver;/*绑定字符设备驱动*/

 client->adapter = adap;
 file->private_data = client;

out:
 unlock_kernel();
 return ret;
}

注 意这里分配并初始化了一个struct i2c_client结构.但是没有注册这个clinet.此外,这个函数中还有一个比较奇怪的操作.不是在前面已经将i2c_dev->adap 指向要操作的adapter么?为什么还要以adapter->nr为关键字从i2c_adapter_idr去找这个操作的adapter呢?注 意了,调用i2c_get_adapter()从总线号nr找到操作的adapter的时候,还会增加module的引用计数.这样可以防止模块意外被释 放掉.也许有人会有这样的疑问,那 i2c_dev->adap->nr操作,如果i2c_dev->adap被释放掉的话,不是一样会引起系统崩溃么?这里因为,在 i2cdev_attach_adapter()间接的增加了一次adapter的一次引用计数.如下:

static int i2cdev_attach_adapter(struct i2c_adapter *adap)
{
．．．．．．
i2c_dev->dev = device_create(i2c_dev_class, &adap->dev,
                     MKDEV(I2C_MAJOR, adap->nr),
                     "i2c-%d", adap->nr);
．．．．．．
}

看到了么，i2c_dev内嵌的device是以adap->dev为父结点,在device_create()中会增次adap->dev的一次引用计数.
好了,open()操作到此就完成了.
使用方法：（参考kernel-test/i2c-msm-test.c）
1、构造struct i2c_msg

[读] struct i2c_msg msgs[] = {
  [0] = {
   .addr = slave_address,
   .flags = 0,
   .buf = (void *)offset_data,
   .len = ARRAY_SIZE(offset_data),
  },
  [1] = {
   .addr = slave_address,
   .flags = I2C_M_RD,
   .buf = (void *)buf,
   .len = count,
  },
 };
[写] struct i2c_msg msgs[] = {
  [0] = {
   .addr = slave_address,
   .flags = 0,
   .buf = (void *)data,
   .len = (2 + len) * sizeof(*data),
  },
  }

2、通过ioctl操作设备

static int do_rdwr(int fd, struct i2c_msg *msgs, int nmsgs)
{
 struct i2c_rdwr_ioctl_data msgset = {
  .msgs = msgs,
  .nmsgs = nmsgs,  /* msgs 个数*/
 };

 if (msgs == NULL || nmsgs <= 0)
  return -1;

 if (ioctl(fd, I2C_RDWR, &msgset) < 0)
  return -1;

 return 0;
}

3、ioctl命令字：

#define I2C_SMBUS_READ 1
#define I2C_SMBUS_WRITE 0

#define I2C_SMBUS_QUICK 0
#define I2C_SMBUS_BYTE 1
#define I2C_SMBUS_BYTE_DATA 2
#define I2C_SMBUS_WORD_DATA 3
#define I2C_SMBUS_PROC_CALL 4
#define I2C_SMBUS_BLOCK_DATA 5
#define I2C_SMBUS_I2C_BLOCK_DATA 6
#define I2C_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL 7

#define I2C_RETRIES 0x0701
#define I2C_TIMEOUT 0x0702
#define I2C_SLAVE 0x0703
#define I2C_SLAVE_FORCE 0x0706
#define I2C_TENBIT 0x0704
#define I2C_FUNCS 0x0705
#define I2C_RDWR 0x0707
#define I2C_PEC 0x0708
#define I2C_SMBUS 0x0720

9. 数据传输框架
I2C 架构的读写支持两种类型，默认实现的操作是smbus协议，该协议与i2c协议类似，如果控制器不支持smbus，框架层可以用i2c_transfer 模拟smbus的实现，系统默认的i2c传输函数一般都是基于i2c模拟的smbus方法传输的，如 i2c_smbus_write_byte_data，i2c_smbus_read_byte_data等。
I2C协议的总线实现应该是I2C 控制器，而不是SMBUS控制器, I2C协议和SMBUS协议不完成等同,SMBUS是I2C的子集，smbus由I2C衍生而来。smbus总线上传输的数据一定是I2C的格式的，但是 SMBUS上传输的数据不一定能满足具体某个I2C从设备的通信要求(数据序列)。
下图以i2c_smbus_write_byte_data介绍数据流程：
 
10. References
[1]. http://blog.chinaunix.net/u1/51562/showart_1403925.html
[2]. 《msm7227-I2C设备驱动实现要点.doc》 滕景东