IIC设备驱动程序.docx

IIC设备驱动程序
IIC设备是一种通过IIC总线连接的设备，由于其简单性，被广泛引用于电子系统中。在现代电子系统中，有很多的IIC设备需要进行相互之间通信
IIC总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微处理器和外部IIC设备。IIC设备产生于20世纪80年代，最初专用与音频和视频设备，现在在各种电子设备中都广泛应用
IIC总线有两条总线线路，一条是串行数据线（SDA），一条是串行时钟线（SCL）。SDA负责数据传输，SCL负责数据传输的时钟同步。IIC设备通过这两条总线连接到处理器的IIC总线控制器上。一种典型的设备连接如图：

与其他总线相比，IIC总线有很多重要的特点。在选择一种设备来完成特定功能时，这些特点是选择IIC设备的重要依据。
主要特点：
1，每一个连接到总线的设备都可以通过唯一的设备地址单独访问
2，串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可达到100kb/s;快速模式下可以达到400kb/s;告诉模式下可以达到3.4Mb/s
3，总线长度最长7.6m左右
4，片上滤波器可以增加抗干扰能力，保证数据的完成传输
5，连接到一条IIC总线上的设备数量只受到最大电容400pF的限制
6，它是一个多主机系统，在一条总线上可以同时有多个主机存在，通过冲突检测方式和延时等待防止数据不被破坏。同一时间只能有一个主机占用总线

IIC总线在传输数据的过程中有3种类型的信号：开始信号、结束信号、和应答信号
>>开始信号(S): 当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示将要开始传输数据
>>结束信号(P):当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示结束传输数据
>>响应信号(ACK): 从机接收到8位数据后，在第9个周期，拉低SDA电平，表示已经收到数据。这个信号称为应答信号
开始信号和结束信号的波形如下图：

主机：IIC总线中发送命令的设备，对于ARM处理器来说，主机就是IIC控制器
从机：接受命令的设备

主机向从机发送数据：
主机通过数据线SDA向从机发送数据。当总线空闲时，SDA和SCL信号都处于高电平。主机向从机发送数据的过程：
1，当主机检测到总线空闲时，主机发出开始信号
2，主机发送8位数据。这8位数据的前7位表示从机地址，第8位表示数据的传输方向。这时，第8位为0，表示向从机发送数据
3，被选中的从机发出响应信号ACK
4，从机传输一系列的字节和响应位
5，主机接受这些数据，并发出结束信号P，完成本次数据传输

由上图可知，IIC控制器主要是由4个寄存器来完成所有的IIC操作的。
IICCON：控制是否发出ACK信号，是否开启IIC中断
IICSTAT：
IICADD：挂载到总线上的从机地址。该寄存器的[7:1]表示从机地址。IICADD寄存器在串行输出使能位IICSTAT[4]为0时，才可以写入；在任何时候可以读出
IICDS：保存将要发送或者接收到的数据。IICCDS在串行输出使能IICSTAT[4]为1时，才可以写入；在任何时间都可以读出

因为IIC设备种类太多，如果每一个IIC设备写一个驱动程序，那么显得内核非常大。不符合软件工程代码复用，所以对其层次话：
这里简单的将IIC设备驱动分为设备层、总线层。理解这两个层次的重点是理解4个数据结构，这4个数据结构是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapter。i2c_driver、i2c_client属于设备层；i2c_algorithm、i2c_adapter属于总线型。如下图：
设备层关系到实际的IIC设备，如芯片AT24C08就是一个IIC设备。总线层包括CPU中的IIC总线控制器和控制总线通信的方法。
值得注意的是：一个系统中可能有很多个总线层，也就是包含多个总线控制器；也可能有多个设备层，包含不同的IIC设备

由IIC总线规范可知，IIC总线由两条物理线路组成，这两条物理线路是SDA和SCL。只要连接到SDA和SCL总线上的设备都可以叫做IIC设备。一个IIC设备由i2c_client数据结构进行描述：
struct  i2c_client
{
　　unsigned short  flags;                        　　　　　　//标志位
      unsigned short  addr;　　　　　　　　　　　　　　  //设备的地址，低7位为芯片地址
　　char name[I2C_NAME_SIZE];　　　　　　　　　　   //设备的名称，最大为20个字节
　　struct  i2c_adapter *adapter;　　　　　　　　　　　//依附的适配器i2c_adapter，适配器指明所属的总线
　　struct  i2c_driver *driver;　　　　　　　　　　　　　//指向设备对应的驱动程序
　　struct device  dev;　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备结构体
　　int irq;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备申请的中断号
　　struct list_head  list;　　　　　　　　　　　　　　　　//连接到总线上的所有设备
　　struct list_head 　　detected;　　　　　　　　　　　//已经被发现的设备链表
　　struct completion　　released;　　　　　　　　　　　//是否已经释放的完成量
};

设备结构体i2c_client中addr的低8位表示设备地址。设备地址由读写位、器件类型和自定义地址组成，如下图：

第7位是R/W位，0表示写，2表示读，所以I2C设备通常有两个地址，即读地址和写地址
类型器件由中间4位组成，这是由半导体公司生产的时候就已经固化了。
自定义类型由低3位组成。由用户自己设置，通常的做法如EEPROM这些器件是由外部I芯片的3个引脚所组合电平决定的（A0,A1,A2）。A0,A1,A2 就是自定义的地址码。自定义的地址码只能表示8个地址，所以同一IIC总线上同一型号的芯片最多只能挂载8个。
AT24C08的自定义地址码如图：A0,A1,A2接低电平，所以自定义地址码为0；

如果在两个不同IIC总线上挂接了两块类型和地址相同的芯片，那么这两块芯片的地址相同。这显然是地址冲突，解决的办法是为总线适配器指定一个ID号，那么新的芯片地址就由总线适配器的ID和设备地址组成
除了地址之外，IIC设备还有一些重要的注意事项：
1，i2c_client数据结构是描述IIC设备的“模板”，驱动程序的设备结构中应包含该结构
2，adapter指向设备连接的总线适配器，系统可能有多个总线适配器。内核中静态指针数组adapters记录所有已经注册的总线适配器设备
3，driver是指向设备驱动程序，这个驱动程序是在系统检测到设备存在时赋值的

IIC设备驱动     i2c_driver:
struct  i2c_driver
{
　　int id;                         //驱动标识ID
　　unsigned int class;               //驱动的类型
　　int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);             //当检测到适配器时调用的函数
       int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);              //卸载适配器时调用的函数
　　int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated;             //卸载设备时调用的函数
       //以下是一种新类型驱动需要的函数，这些函数支持IIC设备动态插入和拔出。如果不想支持只实现上面3个。要不实现上面3个。要么实现下面5个。不能同时定义
       int  (*probe)(struct i2c_client *,const struct  i2c_device_id *);              //新类型设备探测函数
       int (*remove)(struct i2c_client *);                   //新类型设备的移除函数
       void (*shutdown)(struct i2c_client *);              //关闭IIC设备
        int (*suspend)(struct  i2c_client *,pm_messge_t mesg);           //挂起IIC设备
        int (*resume)(struct  i2c_client *);                               //恢复IIC设备
        int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg);        //使用命令使设备完成特殊的功能。类似ioctl（）函数
        struct devcie_driver  driver;                         //设备驱动结构体
         const struct  i2c_device_id *id_table;                       //设备ID表
          int (*detect)(struct i2c_client *,int  kind,struct  i2c_board_info *);          //自动探测设备的回调函数
         const  struct i2c_client_address_data          *address_data;                 //设备所在的地址范围
         struct  list_head    clients;                    //指向驱动支持的设备
};
结构体i2c_driver和i2c_client的关系较为简单，其中i2c_driver表示一个IIC设备驱动，i2c_client表示一个IIC设备。关系如下图：

IIC总线适配器就是一个IIC总线控制器，在物理上连接若干个IIC设备。IIC总线适配器本质上是一个物理设备，其主要功能是完成IIC总线控制器相关的数据通信：
struct i2c_adapter
{
        struct module *owner;                        //模块计数
        unsigned  int id;                                  //alogorithm的类型，定义于i2c_id.h中
        unsigned   int  class;                           //允许探测的驱动类型
        const struct i2c_algorithm *algo;         //指向适配器的驱动程序
        void *algo_data;                                  //指向适配器的私有数据，根据不同的情况使用方法不同
        int (*client_register)(struct  i2c_client *);          //设备client注册时调用
        int (*client_unregister(struct  i2c_client *);       //设备client注销时调用
        u8 level;                                                         
        struct  mutex  bus_lock;                             //对总线进行操作时，将获得总线锁
        struct  mutex  clist_lock ;                            //链表操作的互斥锁
        int timeout;                                                  //超时
　　int retries;                                                     //重试次数
       struct device dev;                                          //指向 适配器的设备结构体
       int  nr ;                                                          
       struct  list_head      clients;                            //连接总线上的设备的链表
        char name[48];                                              //适配器名称
        struct completion     dev_released;               //用于同步的完成量
};
每一个适配器对应一个驱动程序，该驱动程序描述了适配器与设备之间的通信方法:
struct  i2c_algorithm
{
         int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, int num);              //传输函数指针，指向实现IIC总线通信协议的函数，用来确定适配器支持那些传输类型
         int  (*smbus_xfer)(struct  i2c_adapter *adap, u16  addr, unsigned  short flags, char  read_write, u8 command, int size, union  i2c_smbus_data  *data);    //smbus方式传输函数指针，指向实现SMBus总线通信协议的函数。SMBus和IIC之间可以通过软件方式兼容，所以这里提供了一个函数，但是一般都赋值为NULL
         u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);                   //返回适配器支持的功能
};

IIC设备驱动程序大致可以分为设备层和总线层。设备层包括一个重要的数据结构，i2c_client。总线层包括两个重要的数据结构，分别是i2c_adapter和i2c_algorithm。一个i2c_algorithm结构表示适配器对应的传输数据方法。3个数据结构关系：

IIC设备层次结构较为简单，但是写IIC设备驱动程序却相当复杂。
IIC设备驱动程序的步骤：

IIC子系统：
IIC子系统是作为模块加载到系统中的。
初始化函数：
static int __init i2c_init(void)
{
    int retval;            //返回值，成功0，错误返回负值

    retval = bus_register(&i2c_bus_type);       //注册一条IIC的BUS总线
    if (retval)
        return retval;
    retval = class_register(&i2c_adapter_class);       //注册适配器类，用于实现sys文件系统的部分功能
    if (retval)
        goto bus_err;
    retval = i2c_add_driver(&dummy_driver);               //将一个空驱动程序注册到IIC总线中
    if (retval)
        goto class_err;
    return 0;

class_err:
    class_unregister(&i2c_adapter_class);                                //类注销
bus_err:
    bus_unregister(&i2c_bus_type);                                          //总线注销
    return retval;
}

struct bus_type i2c_bus_type = {
    .name        = "i2c",
    .dev_attrs    = i2c_dev_attrs,
    .match        = i2c_device_match,
    .uevent        = i2c_device_uevent,
    .probe        = i2c_device_probe,
    .remove        = i2c_device_remove,
    .shutdown    = i2c_device_shutdown,
    .suspend    = i2c_device_suspend,
    .resume        = i2c_device_resume,
};
static struct class i2c_adapter_class = {
    .owner            = THIS_MODULE,
    .name            = "i2c-adapter",
    .dev_attrs        = i2c_adapter_attrs,
};
static struct i2c_driver dummy_driver = {
    .driver.name    = "dummy",
    .probe        = dummy_probe,
    .remove        = dummy_remove,
    .id_table    = dummy_id,
};

IIC子系统退出函数：
static void __exit i2c_exit(void)
{
    i2c_del_driver(&dummy_driver);        //注销IIC设备驱动程序，主要功能是去掉总线中的该设备驱动程序
    class_unregister(&i2c_adapter_class);              //注销适配器类
    bus_unregister(&i2c_bus_type);                       //注销I2C总线
}

适配器驱动程序是IIC设备驱动程序需要实现的主要驱动程序，这个驱动程序需要根据具体的适配器硬件来编写。
I2c_adapter结构体为描述各种IIC适配器提供了“模板",它定义了注册总线上所有设备的clients链表、指向具体IIC适配器的总线通信方法I2c_algorithm的algo指针、实现i2c总线的操作原子性的lock信号量。但i2c_adapter结构体只是所有适配器的共有属性，并不能代表所有类型的适配器

s3c2440对应的适配器为：
struct s3c24xx_i2c {
    spinlock_t        lock;           //lock自旋锁
    wait_queue_head_t    wait;       //等待队列头。由于IIC设备是低速设备，所以可以采取“阻塞-中断”的驱动模型，即读写i2c设备的用户程序在IIC设备操作期间进入阻塞状态，待IIC操作完成后，总线适配器将引发中断，再将相应的中断处理函数中唤醒受阻的用户进程。该队列用来放阻塞的进程
    unsigned int        suspended:1;         //设备是否挂起

    struct i2c_msg        *msg;       //从适配器到设备一次传输的单位，用这个结构体将数据包装起来便于操作 ，
    unsigned int        msg_num;       //表示消息的个数
    unsigned int        msg_idx;            //表示第几个消息。当完成一个消息后，该值增加
    unsigned int        msg_ptr;            //总是指向当前交互中要传送、接受的下一个字节，在i2c_msg.buf中的偏移量位置

    unsigned int        tx_setup;           //表示写IIC设备寄存器的一个时间，这里被设置为50ms
    unsigned int        irq;                         //适配器申请的中断号

    enum s3c24xx_i2c_state    state;      //表示IIC设备目前的状态
    unsigned long        clkrate;             //时钟速率

    void __iomem        *regs;            //IIC设备寄存器地址
    struct clk        *clk;                       //对应的时钟
    struct device        *dev;                 //适配器对应的设备结构体
    struct resource        *ioarea;            //适配器的资源
    struct i2c_adapter    adap;                  //适配器主体结构体

#ifdef CONFIG_CPU_FREQ
    struct notifier_block    freq_transition;
#endif
};
enum s3c24xx_i2c_state {
    STATE_IDLE,
    STATE_START,
    STATE_READ,
    STATE_WRITE,
    STATE_STOP
};

struct  i2c_msg
{
         __u16   addr;                                //IIC设备地址。 这个字段说明一个适配器在获得总线控制权后，可以与多个IIC设备进行交互。
         __u16   flags;                                //消息类型标志 。      
#define  I2C_M_TEN         0x0010        //这是有10位地址芯片
#define  I2C_M_RD            0x0001       //表示从 从机到主机读数据
#define  I2C_M_NOSTART       0x4000                  // FUNC_PROTOCOL_MANLING协议的相关标志
#define  I2C_M_REV_DIR_ADDR   0x2000          //FUNC_PROTOCOL_MANLING协议的相关标志
#define  I2C_M_IGNORE_NAK         0x1000         //FUNC_PROTOCOL_MANLING协议的相关标志
#define  I2C_M_NO_RD_ACK           0x0800         //FUNC_PROTOCOL_MANLING协议的相关标志
#define  I2C_M_RECV_LEN            0x0400          //第一次接收的字节长度
        __u16    len;                                                  //消息字节长度
        __u8       * buf;                                               //指向消息数据的缓冲区
};

当拿到一块新的电路板，并研究了响应的IIC适配器之后，就应该使用内核提供的框架函数向IIC子系统添加一个新的适配器
过程：
1，分配一个IIC适配器，并初始化相应的变量
2，使用i2c_add_adapter()函数向IIC子系统添加适配器结构体i2c_adapter。这个结构体已经在第一步初始化了：
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
{
    int    id, res = 0;

retry:
    if (idr_pre_get(&i2c_adapter_idr, GFP_KERNEL) == 0)           //存放分配ID号的内存
        return -ENOMEM;                           //内存分配失败

    mutex_lock(&core_lock);           //锁定内核锁
    /* "above" here means "above or equal to", sigh */
    res = idr_get_new_above(&i2c_adapter_idr, adapter,
                __i2c_first_dynamic_bus_num, &id);            //分配ID号，并将ID号和指针关联
    mutex_unlock(&core_lock);           //释放内核锁

    if (res < 0) {
        if (res == -EAGAIN)
            goto retry;                                                                     //分配失败，重试
        return res;
    }

    adapter->nr = id;
    return i2c_register_adapter(adapter);                       // 注册适配器设备
}

关于IDR机制，请参考：
static DEFINE_IDR(i2c_adapter_idr);
通过ID号获得适配器指针：
struct i2c_adapter* i2c_get_adapter(int id)
{
    struct i2c_adapter *adapter;                  //适配器指针

    mutex_lock(&core_lock);           //锁定内核锁
    adapter = (struct i2c_adapter *)idr_find(&i2c_adapter_idr, id);          //通过ID号，查询适配器指针
    if (adapter && !try_module_get(adapter->owner))              //适配器引用计数+1
        adapter = NULL;

    mutex_unlock(&core_lock);                            //释放内核锁
    return adapter;
}
适配器卸载函数：
主要任务：注销适配器的数据结构，删除总线上的所有设备的I2c_client数据结构和对应的i2c_driver驱动程序，并减少其代表总线上所有设备的相应驱动程序数据结构的引用计数（如果到达0，则卸载设备驱动程序）：
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)
{
    struct i2c_client *client, *_n;
    int res = 0;

    mutex_lock(&core_lock);

    /* First make sure that this adapter was ever added */
    if (idr_find(&i2c_adapter_idr, adap->nr) != adap) {                          //查找要卸载的适配器
        pr_debug("i2c-core: attempting to delete unregistered "
             "adapter [%s]\n", adap->name);
        res = -EINVAL;
        goto out_unlock;
    }

    /* Tell drivers about this removal */
    res = bus_for_each_drv(&i2c_bus_type, NULL, adap,
                   i2c_do_del_adapter);
    if (res)
        goto out_unlock;

    /* detach any active clients. This must be done first, because
     * it can fail; in which case we give up. */
    list_for_each_entry_safe_reverse(client, _n, &adap->clients, list) {
        struct i2c_driver    *driver;

        driver = client->driver;

        /* new style, follow standard driver model */
        if (!driver || is_newstyle_driver(driver)) {
            i2c_unregister_device(client);
            continue;
        }

        /* legacy drivers create and remove clients themselves */
        if ((res = driver->detach_client(client))) {
            dev_err(&adap->dev, "detach_client failed for client "
                "[%s] at address 0x%02x\n", client->name,
                client->addr);
            goto out_unlock;
        }
    }

    /* clean up the sysfs representation */
    init_completion(&adap->dev_released);
    device_unregister(&adap->dev);                             设备注销

    /* wait for sysfs to drop all references */
    wait_for_completion(&adap->dev_released);

    /* free bus id */
    idr_remove(&i2c_adapter_idr, adap->nr);                      //删除IDR，ID号

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

    /* Clear the device structure in case this adapter is ever going to be
       added again */
    memset(&adap->dev, 0, sizeof(adap->dev));

 out_unlock:
    mutex_unlock(&core_lock);
    return res;
}
IIC总线通信方法s3c24xx_i2c_algorithm结构体：

static const struct i2c_algorithm s3c24xx_i2c_algorithm = {
    .master_xfer        = s3c24xx_i2c_xfer,
    .functionality        = s3c24xx_i2c_func,
};
这里只实现了IIC总线通信协议
通信方法因不同的适配器有所不同，要跟据具体的硬件来实现
协议支持函数s3c24xx_i2c_func()
该函数返回总线支持的协议，如I2C_FUNC_I2C、I2C_FUNC_SMBUS_EMUL、I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING协议：
static u32 s3c24xx_i2c_func(struct i2c_adapter *adap)
{
    return I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL | I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING;
}
传输函数s3c24xx_i2c_xfer():