实例解析linux内核I2C体系结构（1）

一、概述

谈到在linux系统下编写I2C驱动，目前主要有两种方式，一种是把I2C设备当作一个普通的字符设备来处理，另一种是利用linux I2C驱动体系结构来完成。下面比较下这两种驱动。

第一种方法的好处（对应第二种方法的劣势）有：

         ●     思路比较直接，不需要花时间去了解linux内核中复杂的I2C子系统的操作方法。

第一种方法问题（对应第二种方法的好处）有：

         ●     要求工程师不仅要对I2C设备的操作熟悉，而且要熟悉I2C的适配器操作；

         ●     要求工程师对I2C的设备器及I2C的设备操作方法都比较熟悉，最重要的是写出的程序可移植性差；

         ●     对内核的资源无法直接使用。因为内核提供的所有I2C设备器及设备驱动都是基于I2C子系统的格式。I2C适配器的操作简单还好，如果遇到复杂的I2C适配器（如：基于PCI的I2C适配器），工作量就会大很多。

本文针对的对象是熟悉I2C协议，并且想使用linux内核子系统的开发人员。

网络和一些书籍上有介绍I2C子系统的源码结构。但发现很多开发人员看了这些文章后，还是不 清楚自己究竟该做些什么。究其原因还是没弄清楚I2C子系统为我们做了些什么，以及我们怎样利用I2C子系统。本文首先要解决是如何利用现有内核支持的 I2C适配器，完成对I2C设备的操作，然后再过度到适配器代码的编写。本文主要从解决问题的角度去写，不会涉及特别详细的代码跟踪。

二、I2C设备驱动程序编写

首先要明确适配器驱动的作用是让我们能够通过它发出符合I2C标准协议的时序。

在Linux内核源代码中的drivers/i2c/busses目录下包含着一些适配器的驱动。如S3C2410的驱动i2c-s3c2410.c。当适配器加载到内核后，接下来的工作就要针对具体的设备编写设备驱动了。

编写I2C设备驱动也有两种方法。一种是利用系统给我们提供的i2c-dev.c来实现一个 i2c适配器的设备文件。然后通过在应用层操作i2c适配器来控制i2c设备。另一种是为i2c设备，独立编写一个设备驱动。注意：在后一种情况下，是不 需要使用i2c-dev.c的。

1、利用i2c-dev.c操作适配器，进而控制i2c设备

i2c-dev.c并没有针对特定的设备而设计，只是提供了通用的read()、write()和ioctl()等接口，应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的i2c设备的存储空间或寄存器，并控制I2C设备的工作方式。

需要特别注意的是：i2c-dev.c的read()、write()方法都只适合于如下方式的数据格式（可查看内核相关源码）

图1 单开始信号时序

所以不具有太强的通用性，如下面这种情况就不适用（通常出现在读目标时）。

图2 多开始信号时序

而且read()、write()方法只适用用于适配器支持i2c算法的情况，如：

static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {

             .master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,

             .functionality = s3c24xx_i2c_func,

         };

而不适合适配器只支持smbus算法的情况，如：

         static const struct i2c_algorithm smbus_algorithm = {

             .smbus_xfer = i801_access,

             .functionality = i801_func,

         };

基于上面几个原因，所以一般都不会使用i2c-dev.c的read()、write()方法。最常用的是ioctl()方法。ioctl()方法可以实现上面所有的情况（两种数据格式、以及I2C算法和smbus算法）。

针对i2c的算法，需要熟悉struct i2c_rdwr_ioctl_data 、struct i2c_msg。使用的命令是I2C_RDWR。

         struct i2c_rdwr_ioctl_data {

             struct i2c_msg __user *msgs; /* pointers to i2c_msgs */

             __u32 nmsgs; /* number of i2c_msgs */

         };

         struct i2c_msg {

             _ _u16 addr; /* slave address */

             _ _u16 flags; /* 标志（读、写） */

             _ _u16 len; /* msg length */

             _ _u8 *buf; /* pointer to msg data */

         };

针对smbus算法，需要熟悉struct i2c_smbus_ioctl_data。使用的命令是I2C_SMBUS。对于smbus算法，不需要考虑“多开始信号时序”问题。

         struct i2c_smbus_ioctl_data {

             __u8 read_write; //读、写

             __u8 command; //命令

             __u32 size; //数据长度标识

             union i2c_smbus_data __user *data; //数据

         };

下面以一个实例讲解操作的具体过程。通过S3C2410操作AT24C02 e2prom。实现在AT24C02中任意位置的读、写功能。

首先在内核中已经包含了对s3c2410 中的i2c控制器驱动的支持。提供了i2c算法（非smbus类型的，所以后面的ioctl的命令是I2C_RDWR）

         static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {

             .master_xfer = s3c24xx_i2c_xfer,

             .functionality = s3c24xx_i2c_func,

         };

另外一方面需要确定为了实现对AT24C02 e2prom的操作，需要确定AT24C02的地址及读写访问时序。

●         AT24C02地址的确定

原理图上将A2、A1、A0都接地了，所以地址是0x50。

●         AT24C02任意地址字节写的时序

可见此时序符合前面提到的“单开始信号时序”

●         AT24C02任意地址字节读的时序

可见此时序符合前面提到的“多开始信号时序”

下面开始具体代码的分析（代码在2.6.22内核上测试通过）：

         /*i2c_test.c

         * hongtao_liu

         */

         #include

         #include

         #include

         #include

         #include

         #include

         #include

         #include

         #define I2C_RETRIES 0x0701

         #define I2C_TIMEOUT 0x0702

         #define I2C_RDWR 0x0707

         /*********定义struct i2c_rdwr_ioctl_data和struct i2c_msg，要和内核一致*******/

struct i2c_msg

         {

                 unsigned short addr;

                 unsigned short flags;

         #define I2C_M_TEN 0x0010

         #define I2C_M_RD 0x0001

                 unsigned short len;

                 unsigned char *buf;

         };

struct i2c_rdwr_ioctl_data

         {

                 struct i2c_msg *msgs;

                 int nmsgs;

         /* nmsgs这个数量决定了有多少开始信号，对于“单开始时序”，取1*/

         };

/***********主程序***********/

         int main()

         {

                 int fd,ret;

                 struct i2c_rdwr_ioctl_data e2prom_data;

                 fd=open("/dev/i2c-0",O_RDWR);

         /*

         */dev/i2c-0是在注册i2c-dev.c后产生的，代表一个可操作的适配器。如果不使用i2c-dev.c

         *的方式，就没有，也不需要这个节点。

         */

                 if(fd<0)

                 {

                         perror("open error");

                 }

                 e2prom_data.nmsgs=2;

         /*

         *因为操作时序中，最多是用到2个开始信号（字节读操作中），所以此将

         *e2prom_data.nmsgs配置为2

         */

                 e2prom_data.msgs=(struct i2c_msg*)malloc(e2prom_data.nmsgs*sizeof(struct i2c_msg));

                 if(!e2prom_data.msgs)

                 {

                         perror("malloc error");

                         exit(1);

                 }

                 ioctl(fd,I2C_TIMEOUT,1);/*超时时间*/

                 ioctl(fd,I2C_RETRIES,2);/*重复次数*/

                 /***write data to e2prom**/

                 e2prom_data.nmsgs=1;

                 (e2prom_data.msgs[0]).len=2; //1个 e2prom 写入目标的地址和1个数据

                 (e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50;//e2prom 设备地址

                 (e2prom_data.msgs[0]).flags=0; //write

                 (e2prom_data.msgs[0]).buf=(unsigned char*)malloc(2);

                 (e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x10;// e2prom 写入目标的地址

                 (e2prom_data.msgs[0]).buf[1]=0x58;//the data to write

         ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned long)&e2prom_data);

                 if(ret<0)

                 {

                         perror("ioctl error1");

                 }

                 sleep(1);

         /******read data from e2prom*******/

                 e2prom_data.nmsgs=2;

                 (e2prom_data.msgs[0]).len=1; //e2prom 目标数据的地址

                 (e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50; // e2prom 设备地址

                 (e2prom_data.msgs[0]).flags=0;//write

                 (e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x10;//e2prom数据地址

                 (e2prom_data.msgs[1]).len=1;//读出的数据

                 (e2prom_data.msgs[1]).addr=0x50;// e2prom 设备地址

                 (e2prom_data.msgs[1]).flags=I2C_M_RD;//read

                 (e2prom_data.msgs[1]).buf=(unsigned char*)malloc(1);//存放返回值的地址。

                 (e2prom_data.msgs[1]).buf[0]=0;//初始化读缓冲

         ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned long)&e2prom_data);

                 if(ret<0)

                 {

                         perror("ioctl error2");

                 }

                 printf("buff[0]=%x\n",(e2prom_data.msgs[1]).buf[0]);

         /***打印读出的值，没错的话，就应该是前面写的0x58了***/

                 close(fd);

                 return 0;

         }

以上讲述了一种比较常用的利用i2c-dev.c操作i2c设备的方法，这种方法可以说是在应用层完成了对具体i2c设备的驱动工作。

计划下一篇总结以下几点：

（1）在内核里写i2c设备驱动的两种方式：

●     Probe方式（new style），如：

                 static struct i2c_driver pca953x_driver = {

                         .driver = {

                                 .name = "pca953x",

                         },

                         .probe = pca953x_probe,

                         .remove = pca953x_remove,

                         .id_table = pca953x_id,

                 };

●     Adapter方式（LEGACY），如：

                 static struct i2c_driver pcf8575_driver = {

                         .driver = {

                                 .owner = THIS_MODULE,

                                 .name = "pcf8575",

                         },

                         .attach_adapter = pcf8575_attach_adapter,

                         .detach_client = pcf8575_detach_client,

                 };

（2）适配器驱动编写方法

（3）分享一些项目中遇到的问题

         希望大家多提意见，多多交流。