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2012-10-19 11:28:51

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

/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:

  1. struct i2c_adapter {  
  2.  struct module *owner;  
  3.  unsigned int id;  
  4.  unsigned int class;    /* classes to allow probing for */  
  5.  const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */  
  6.  void *algo_data;  
  7.   
  8.  /* --- administration stuff. */  
  9.  int (*client_register)(struct i2c_client *);  
  10.  int (*client_unregister)(struct i2c_client *);  
  11.   
  12.  /* data fields that are valid for all devices */  
  13.  u8 level;    /* nesting level for lockdep */  
  14.  struct mutex bus_lock;  
  15.  struct mutex clist_lock;  
  16.   
  17.  int timeout;   /* in jiffies */  
  18.  int retries;  
  19.  struct device dev;  /* the adapter device */  
  20.   
  21.  int nr; /*该成员描述了总线号*/  
  22.  struct list_head clients; /* i2c_client结构链表,该结构包含device,driver和 
  23. adapter结构*/  
  24.  char name[48];  
  25.  struct completion dev_released;  
  26. };  

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

  1. struct platform_device msm_device_i2c = {  
  2.  .name  = "msm_i2c",  
  3.  .id  = 0,  
  4.  .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c),  
  5.  .resource = resources_i2c,  
  6. };  
  7. struct platform_device msm_device_i2c_2 = {  
  8.  .name  = "msm_i2c",  
  9.  .id  = 2,  
  10.  .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c_2),  
  11.  .resource = resources_i2c_2,  
  12. };  

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

  1. static int i2c_register_adapter(struct i2c_adapter *adap)  
  2. {  
  3.  int res = 0, dummy;  
  4.   
  5.  /* Can't register until after driver model init */  
  6.  if (unlikely(WARN_ON(!i2c_bus_type.p)))  
  7.   return -EAGAIN;  
  8.   
  9.  mutex_init(&adap->bus_lock);  
  10.  mutex_init(&adap->clist_lock);  
  11.  INIT_LIST_HEAD(&adap->clients);/*初始化设备链表*/  
  12.   
  13.  mutex_lock(&core_lock);  
  14.   
  15.  /* Add the adapter to the driver core. 
  16.   * If the parent pointer is not set up, 
  17.   * we add this adapter to the host bus. 
  18.   */  
  19.  if (adap->dev.parent == NULL) {  
  20.   adap->dev.parent = &platform_bus;/*父设备是platform_bus*/  
  21.   pr_debug("I2C adapter driver [%s] forgot to specify "  
  22.     "physical device/n", adap->name);  
  23.  }  
  24.  dev_set_name(&adap->dev, "i2c-%d", adap->nr);/*设备节点名字*/  
  25.  adap->dev.release = &i2c_adapter_dev_release;  
  26.  adap->dev.class = &i2c_adapter_class;  
  27.  res = device_register(&adap->dev); /*注册adapter这个设备本身*/  
  28.  if (res)  
  29.   goto out_list;  
  30.   
  31.  dev_dbg(&adap->dev, "adapter [%s] registered/n", adap->name);  
  32.   
  33.  /*以下部分完成i2c设备和驱动的注册*/  
  34.  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*/  
  35.   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*/  
  36.   
  37.  /* Notify drivers */  
  38.  dummy = bus_for_each_drv(&i2c_bus_type, NULL, adap,  
  39.      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*/  
  40.   
  41. out_unlock:  
  42.  mutex_unlock(&core_lock);  
  43.  return res;  
  44.   
  45. out_list:  
  46.  idr_remove(&i2c_adapter_idr, adap->nr);  
  47.  goto out_unlock;  
  48. }  

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:

  1. static int i2cdev_open(struct inode *inode, struct file *file)  
  2. {  
  3.  unsigned int minor = iminor(inode);  
  4.  struct i2c_client *client;  
  5.  struct i2c_adapter *adap;  
  6.  struct i2c_dev *i2c_dev;  
  7.  int ret = 0;  
  8.   
  9.  lock_kernel();/*内核上锁,一般只在多cpu是有用*/  
  10.  i2c_dev = i2c_dev_get_by_minor(minor);/*因为有两个adapter,同一个主设备号*/  
  11.  if (!i2c_dev) {  
  12.   ret = -ENODEV;  
  13.   goto out;  
  14.  }  
  15.   
  16.  adap = i2c_get_adapter(i2c_dev->adap->nr);  
  17.  if (!adap) {  
  18.   ret = -ENODEV;  
  19.   goto out;  
  20.  }  
  21.   
  22.  /* This creates an anonymous i2c_client, which may later be 
  23.   * pointed to some address using I2C_SLAVE or I2C_SLAVE_FORCE. 
  24.   * 
  25.   * This client is ** NEVER REGISTERED ** with the driver model 
  26.   * or I2C core code!!  It just holds private copies of addressing 
  27.   * information and maybe a PEC flag. 
  28.   */  
  29.  client = kzalloc(sizeof(*client), GFP_KERNEL);  
  30.  if (!client) {  
  31.   i2c_put_adapter(adap);  
  32.   ret = -ENOMEM;  
  33.   goto out;  
  34.  }  
  35.  snprintf(client->name, I2C_NAME_SIZE, "i2c-dev %d", adap->nr);  
  36.  client->driver = &i2cdev_driver;/*绑定字符设备驱动*/  
  37.   
  38.  client->adapter = adap;  
  39.  file->private_data = client;  
  40.   
  41. out:  
  42.  unlock_kernel();  
  43.  return ret;  
  44. }  

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:
[c-sharp] view plaincopy
  1. static int i2cdev_attach_adapter(struct i2c_adapter *adap)  
  2. {  
  3. ......  
  4. i2c_dev->dev = device_create(i2c_dev_class, &adap->dev,  
  5.                      MKDEV(I2C_MAJOR, adap->nr),  
  6.                      "i2c-%d", adap->nr);  
  7. ......  
  8. }  

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
  1. [读] struct i2c_msg msgs[] = {  
  2.   [0] = {  
  3.    .addr = slave_address,  
  4.    .flags = 0,  
  5.    .buf = (void *)offset_data,  
  6.    .len = ARRAY_SIZE(offset_data),  
  7.   },  
  8.   [1] = {  
  9.    .addr = slave_address,  
  10.    .flags = I2C_M_RD,  
  11.    .buf = (void *)buf,  
  12.    .len = count,  
  13.   },  
  14.  };  
  15. [写] struct i2c_msg msgs[] = {  
  16.   [0] = {  
  17.    .addr = slave_address,  
  18.    .flags = 0,  
  19.    .buf = (void *)data,  
  20.    .len = (2 + len) * sizeof(*data),  
  21.   },  
  22.   }  

2、通过ioctl操作设备
[c-sharp] view plaincopy
  1. static int do_rdwr(int fd, struct i2c_msg *msgs, int nmsgs)  
  2. {  
  3.  struct i2c_rdwr_ioctl_data msgset = {  
  4.   .msgs = msgs,  
  5.   .nmsgs = nmsgs,  /* msgs 个数*/  
  6.  };  
  7.   
  8.  if (msgs == NULL || nmsgs <= 0)  
  9.   return -1;  
  10.   
  11.  if (ioctl(fd, I2C_RDWR, &msgset) < 0)  
  12.   return -1;  
  13.   
  14.  return 0;  
  15. }  

3、ioctl命令字:

  1. #define I2C_SMBUS_READ 1  
  2. #define I2C_SMBUS_WRITE 0  
  3.  
  4. #define I2C_SMBUS_QUICK 0  
  5. #define I2C_SMBUS_BYTE 1  
  6. #define I2C_SMBUS_BYTE_DATA 2   
  7. #define I2C_SMBUS_WORD_DATA 3  
  8. #define I2C_SMBUS_PROC_CALL 4  
  9. #define I2C_SMBUS_BLOCK_DATA 5  
  10. #define I2C_SMBUS_I2C_BLOCK_DATA 6  
  11. #define I2C_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL 7    
  12.  
  13. #define I2C_RETRIES 0x0701    
  14. #define I2C_TIMEOUT 0x0702    
  15. #define I2C_SLAVE 0x0703    
  16. #define I2C_SLAVE_FORCE 0x0706    
  17. #define I2C_TENBIT 0x0704    
  18. #define I2C_FUNCS 0x0705    
  19. #define I2C_RDWR 0x0707    
  20. #define I2C_PEC 0x0708    
  21. #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

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