【IMX6ULL驱动开发学习】09.Linux之I2C驱动框架简介和驱动程序模板

阿龙还在写代码2023-08-28 13:11

参考：Linux之I2C驱动_linux i2c驱动_风间琉璃•的博客-CSDN博客​​​​​​

目录

一、I2C驱动框架简介

[1.1 I2C总线驱动](#1.1 I2C总线驱动)

[1.2 I2C设备驱动](#1.2 I2C设备驱动)

二、I2C总线-设备-驱动模型

[2.1 i2c_driver](#2.1 i2c_driver)

[2.2 i2c_client](#2.2 i2c_client)

[2.3 I2C 设备数据收发和处理](#2.3 I2C 设备数据收发和处理)

[三、Linux I2C驱动程序模板](#三、Linux I2C驱动程序模板)

一、I2C驱动框架简介

在 Linux 内核中 I2C 的体系结构分为 3 个部分：

  • I2C 核心： I2C 核心提供了I2C 总线驱动和设备驱动的注册、 注销方法
  • I2C 总线驱动： I2C 总线驱动是对I2C 硬件体系结构中适配器端的实现 ， 适配器可由CPU 控制， 甚至可以直接集成在 CPU 内部。I2C 总线驱动就是 SOC 的I2C 控制器驱动 ，也叫做 I2C 适配器驱动。
  • I2C 设备驱动： I2C 设备驱动是对 I2C 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 I2C 适配器上， 通过 I2C 适配器与 CPU 交换数据。

1.1 I2C总线驱动

I2C 总线和 platform 总线类似， 区别在于platform 总线是虚拟的一条总线， 而 I2C 总线是实际
存在的。 对于使用 I2C 通信的设备， 在驱动中直接使用 I2C 总结即可。 I2C 总线驱动的重点是 I2C 适配器驱动， 主要涉及到两个结构体： i2c_adapter 和 i2c_algorithm。 在 Linux 内核中用 i2c_adapter 结构体来表示 I2C 适配器。 i2c_adapter 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中

objectivec 复制代码 
struct i2c_adapter {
    struct module *owner;
    unsigned int class; /* classes to allow probing for */
    const struct i2c_algorithm *algo; /* 总线访问算法 */
    void *algo_data;
 
    /* data fields that are valid for all devices */
    struct rt_mutex bus_lock;
 
    int timeout; /* in jiffies */
    int retries;
    struct device dev; /* the adapter device */
 
    int nr;
    char name[48];
    struct completion dev_released;
 
    struct mutex userspace_clients_lock;
    struct list_head userspace_clients;
 
    struct i2c_bus_recovery_info *bus_recovery_info;
    const struct i2c_adapter_quirks *quirks;
};

i2c_algorithm 类型的指针变量algo， 对于一个 I2C 适配器， 要对外提供读写 API 函数， 设备驱动程序可以使用这些 API 函数来完成读写操作。i2c_algorithm 是 I2C 适配器与 IIC 设备进行通信的方法。i2c_algorithm 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中

objectivec 复制代码 
 
struct i2c_algorithm 
{
    ......
    int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap,struct i2c_msg *msgs,int num);
    int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,
    unsigned short flags, char read_write,
    u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);
 
    /* To determine what the adapter supports */
    u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);
    ......
};

一般 SOC 的 I2C 总线驱动都是由半导体厂商编写的，所以大多数只要专注于 I2C 设备驱动即可。

1.2 I2C设备驱动

在 I2C 设备驱动中主要有两个重要的结构体：i2c_client 和 i2c_driver。 i2c_client 是描述设备信息的，i2c_driver 描述驱动内容。

当驱动和设备匹配成功后，每检测到一个 I2C 设备就会给这个 I2C 设备分配一个i2c_client，这个ic_client存储着这个设备的所有信息，如芯片地址。i2c_client 结构体定义在include/linux/i2c.h 文件中

objectivec 复制代码 
struct i2c_client {
    unsigned short flags; /* 标志 */
    unsigned short addr; /* 芯片地址， 7 位，存在低 7 位*/
    ......
    char name[I2C_NAME_SIZE]; /* 名字 */
    struct i2c_adapter *adapter; /* 对应的 I2C 适配器 */
    struct device dev; /* 设备结构体 */
    int irq; /* 中断 */
    struct list_head detected;
    ......
};

i2c_driver 类似 platform_driver，是编写 I2C 设备驱动重点要处理的内容， i2c_driver 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中

objectivec 复制代码 
struct i2c_driver {
    unsigned int class;
 
    /* Notifies the driver that a new bus has appeared. You should
    * avoid using this, it will be removed in a near future.
    */
    int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *) __deprecated;
 
    /* Standard driver model interfaces */
    int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);
    int (*remove)(struct i2c_client *);
 
    /* driver model interfaces that don't relate to enumeration */
    void (*shutdown)(struct i2c_client *);
 
    /* Alert callback, for example for the SMBus alert protocol.
    * The format and meaning of the data value depends on the
    * protocol.For the SMBus alert protocol, there is a single bit
    * of data passed as the alert response's low bit ("eventflag"). */
    void (*alert)(struct i2c_client *, unsigned int data);
    /* a ioctl like command that can be used to perform specific
    * functions with the device.
    */
    int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd,void *arg);
 
    struct device_driver driver;
    const struct i2c_device_id *id_table;
 
    /* Device detection callback for automatic device creation */
    int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);
    const unsigned short *address_list;
    struct list_head clients;
};

当 I2C 设备和驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行。device_driver 驱动结构体，如果使用设备树，需要设置 device_driver 的of_match_table 成员变量，即驱动的兼容(compatible)性。 未使用设备树的设备需要设置id_table 设备匹配 ID 表。

构造i2c_driver结构体，里面会表明支持那些设备，入口函数里注册i2c_driver结构体，如果i2c_driver发现能够支持的i2c_client的话，probe函数就被调用，在probe函数里记录client信息、注册字符设备、注册file_operations、自动创建设备节点

I2C驱动程序与普通的字符设备驱动程序没有本质差别，唯一差别：发起数据传输时用到i2c_transfer，该函数需要用到适配器（i2c控制器），probe函数被调用时内核会传入i2c_client，i2c_client里含有i2c控制器。

二、I2C总线-设备-驱动模型

2.1 i2c_driver

2c_driver表明能支持哪些设备：

  • 使用of_match_table来判断

    • 设备树中，某个I2C控制器节点下可以创建I2C设备的节点

      • 如果I2C设备节点的compatible属性跟of_match_table的某项兼容，则匹配成功

    • i2c_client.name跟某个of_match_table[i].compatible值相同，则匹配成功

  • 使用id_table来判断

    • i2c_client.name跟某个id_table[i].name值相同，则匹配成功

i2c_driver跟i2c_client匹配成功后，就调用i2c_driver.probe函数。

objectivec 复制代码 
/* 传统匹配方式 ID 列表 */
static const struct i2c_device_id xxx_id[] = {
    {"xxx", 0},
    {}
};
 
 /* 设备树匹配列表 */
static const struct of_device_id xxx_of_match[] = {
    { .compatible = "xxx" },
    { /* Sentinel */ }
};

/* i2c 驱动结构体 */
static struct i2c_driver xxx_driver = {
    .probe = xxx_probe,
    .remove = xxx_remove,
    .driver = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .name = "xxx",
        .of_match_table = xxx_of_match,  //使用设备树
    },
    .id_table = xxx_id,   //未使用设备树
};

2.2 i2c_client

i2c_client表示一个I2C设备，创建i2c_client的方法有4种：

（1）方法1：通过设备树来创建（常用）

objectivec 复制代码 
i2c1: i2c@400a0000 {
		/* ... master properties skipped ... */
		clock-frequency = <100000>;

		flash@50 {
			compatible = "atmel,24c256";
			reg = <0x50>;
		};

		pca9532: gpio@60 {
			compatible = "nxp,pca9532";
			gpio-controller;
			#gpio-cells = <2>;
			reg = <0x60>;
		};
	};

向 i2c1 添加 flash 子节点，flash@50是子节点名字， @后面的50是I2C 器件地址。compatible 属性值为atmel,24c256。reg属性也是设置I2C的器件地址的。I2C 设备节点的创建主要是 compatible 属性和 reg属性的设置，一个用于匹配驱动， 一个用于设置器件地址。

（2）方法2：

有时候无法知道该设备挂载哪个I2C bus下，无法知道它对应的I2C bus number。 但是可以通过其他方法知道对应的i2c_adapter结构体。 可以使用下面两个函数来创建i2c_client：

i2c_new_device

objectivec 复制代码 
 static struct i2c_board_info sfe4001_hwmon_info = {
	I2C_BOARD_INFO("max6647", 0x4e),
  };

  int sfe4001_init(struct efx_nic *efx)
  {
	(...)
	efx->board_info.hwmon_client =
		i2c_new_device(&efx->i2c_adap, &sfe4001_hwmon_info);

	(...)
  }

i2c_new_probed_device

objectivec 复制代码 
static const unsigned short normal_i2c[] = { 0x2c, 0x2d, I2C_CLIENT_END };

  static int usb_hcd_nxp_probe(struct platform_device *pdev)
  {
	(...)
	struct i2c_adapter *i2c_adap;
	struct i2c_board_info i2c_info;

	(...)
	i2c_adap = i2c_get_adapter(2);
	memset(&i2c_info, 0, sizeof(struct i2c_board_info));
	strscpy(i2c_info.type, "isp1301_nxp", sizeof(i2c_info.type));
	isp1301_i2c_client = i2c_new_probed_device(i2c_adap, &i2c_info,
						   normal_i2c, NULL);
	i2c_put_adapter(i2c_adap);
	(...)
  }

差别：

  • i2c_new_device：会创建i2c_client，即使该设备并不存在

  • i2c_new_probed_device：

    • 它成功的话，会创建i2c_client，并且表示这个设备肯定存在

    • I2C设备的地址可能发生变化，比如AT24C02的引脚A2A1A0电平不一样时，设备地址就不一样

    • 可以罗列出可能的地址

    • i2c_new_probed_device使用这些地址判断设备是否存在

**（3）方法3(不推荐)：**由i2c_driver.detect函数来判断是否有对应的I2C设备并生成i2c_client

**（4）方法4：**通过用户空间(user-space)生成 调试时、或者不方便通过代码明确地生成i2c_client时，可以通过用户空间来生成。

objectivec 复制代码 
// 创建一个i2c_client, .name = "eeprom", .addr=0x50, .adapter是i2c-3
  # echo eeprom 0x50 > /sys/bus/i2c/devices/i2c-3/new_device
  
// 删除一个i2c_client
  # echo 0x50 > /sys/bus/i2c/devices/i2c-3/delete_device

2.3 I2C 设备数据收发和处理

在 I2C 设备驱动中首先要完成 i2c_driver 结构体的创建、 初始化和注册， 当设备和驱动匹配成功后，就会执行 probe 函数， probe 函数中就是执行字符设备驱动的一套流程。

一般需要在probe函数里面初始化 I2C 设备，要初始化 I2C 设备需要使用 i2c_transfer 函数对 I2C 设备寄存器进行读写操作。 i2c_transfer 函数会调用 I2C 适配器中 i2c_algorithm里面的 master_xfer 函数， 对于 I.MX6U 而言是 i2c_imx_xfer 这个函数。

objectivec 复制代码 
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap,struct i2c_msg *msgs,int num)

adap： 所使用的 I2C 适配器，i2c_client 会保存其对应的 i2c_adapter

msgs： I2C 要发送的一个或多个消息

num： 消息数量，msgs 的数量

返回值： 负值，失败，其他非负值，发送的 msgs 数量

msgs参数是一个 i2c_msg 类型的指针参数，Linux内核使用 i2c_msg 结构体 描述一个消息。

objectivec 复制代码 
struct i2c_msg {
    __u16 addr; /* 从机地址 */
    __u16 flags; /* 标志 */
    #define I2C_M_TEN 0x0010
    #define I2C_M_RD 0x0001
    #define I2C_M_STOP 0x8000
    #define I2C_M_NOSTART 0x4000
    #define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000
    #define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000
    #define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800
    #define I2C_M_RECV_LEN 0x0400
    __u16 len; /* 消息(本 msg)长度 */
    __u8 *buf; /* 消息数据 */
};

使用i2c_transfer函数发送数据前，要构建好 i2c_msg，使用 i2c_transfer 进行 I2C 数据收发的模板：

objectivec 复制代码 
/* 设备结构体 */
struct xxx_dev {
    ......
    void *private_data; /* 私有数据，一般会设置为 i2c_client */
};
 
/*
* @description : 读取 I2C 设备多个寄存器数据
* @param -- dev : I2C 设备
* @param -- reg : 要读取的寄存器首地址
* @param -- val : 读取到的数据
* @param -- len : 要读取的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static int xxx_read_regs(struct xxx_dev *dev, u8 reg, void *val,
int len)
{
    int ret;
    struct i2c_msg msg[2];
    struct i2c_client *client = (struct i2c_client *)
    dev->private_data;
 
    /* msg[0]，第一条写消息，发送要读取的寄存器首地址 */
    msg[0].addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
    msg[0].flags = 0; /* 标记为发送数据 */
    msg[0].buf = &reg; /* 读取的首地址 */
    msg[0].len = 1; /* reg 长度 */
 
    /* msg[1]，第二条读消息，读取寄存器数据 */
    msg[1].addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
    msg[1].flags = I2C_M_RD; /* 标记为读取数据 */
    msg[1].buf = val; /* 读取数据缓冲区 */
    msg[1].len = len; /* 要读取的数据长度 */
    ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);
    if(ret == 2) 
    {
        ret = 0;
    } 
    else 
    {
        ret = -EREMOTEIO;
    }
    return ret;
}
 
/*
* @description : 向 I2C 设备多个寄存器写入数据
* @param -- dev : 要写入的设备结构体
* @param -- reg : 要写入的寄存器首地址
* @param -- buf : 要写入的数据缓冲区
* @param -- len : 要写入的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static s32 xxx_write_regs(struct xxx_dev *dev, u8 reg, u8 *buf,u8 len)
{
    u8 b[256];
    struct i2c_msg msg;
    struct i2c_client *client = (struct i2c_client *)
    dev->private_data;
 
    b[0] = reg; /* 寄存器首地址 */
    memcpy(&b[1],buf,len); /* 将要发送的数据拷贝到数组 b 里面 */
 
    msg.addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
    msg.flags = 0; /* 标记为写数据 */
 
    msg.buf = b; /* 要发送的数据缓冲区 */
    msg.len = len + 1; /* 要发送的数据长度 */
 
    return i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);
}

在设备结构体里面添加一个执行void的指针成员变量private_data ，此成员变量用于保存设备的私有数据，在 I2C 设备驱动中一般将其指向 I2C 设备对应的i2c_client。

xxx_read_regs 函数用于读取 I2C 设备多个寄存器数据，然后定义了一个i2c_msg 数组， 2 个数组元素。如图，I2C写时序图，因为 I2C 读取数据的时候要先发送要读取的寄存器地址，然后再读取数据，所以需要准备两个 i2c_msg。一个用于发送寄存器地址，一个用于读取寄存器值。

对于 msg[0]， 将 flags设置为 0， 表示写数据。 msg[0]的 addr 是 I2C 设备的器件地址， msg[0]的 buf 成员变量就是要读取的寄存器地址。 对于 msg[1]， 将 flags 设置为 I2C_M_RD， 表示读取数据。 msg[1]的 buf 成员变量用于保存读取到的数据， len 成员变量就是要读取的数据长度。 调用 i2c_transfer 函数完成 I2C 数据读操作。

xxx_write_regs 函数用于向 I2C 设备多个寄存器写数据。 数组 b 用于存放寄存器首地址和要发送的数据，msg 的 addr设置为 I2C 器件地址。然后设置 msg 的 flags 为 0， 也就是写数据。设置要发送的数据， 也就是数组 b。设置 msg 的 len 为 len+1， 因为要加上一个字节的寄存器地址。 最后通过 i2c_transfer 函数完成向 I2C 设备的写操作。

另外还有两个API函数分别用于I2C数据的收发操作，这两个函数都会调用i2c_transfer。

I2C 数据发送函数 i2c_master_send：

objectivec 复制代码 
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client,const char *buf,int count)

client： I2C 设备对应的 i2c_client

buf：要发送的数据

count： 要发送的数据字节数，要小于 64KB，以为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无

符号 16 位)类型的数据。

返回值： 负值，失败，其他非负值，发送的字节数

I2C 数据接收函数为 i2c_master_recv：

objectivec 复制代码 
int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client,char *buf,int count)

client： I2C 设备对应的 i2c_client

buf：要接收的数据

count： 要接收的数据字节数，要小于 64KB，以为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无

符号 16 位)类型的数据

返回值： 负值，失败，其他非负值，发送的字节数

三、Linux I2C驱动程序模板

i2c_drv.c

objectivec 复制代码 
#include "linux/i2c.h"
#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>

/* 主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *my_i2c_class;

struct i2c_client *g_client;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_wait);
struct fasync_struct *i2c_fasync;


/* 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t i2c_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;

	struct i2c_msg msgs[2];

	/* 初始化i2c_msg */

	err = i2c_transfer(g_client->adapter, msgs, 2);

	/* copy_to_user  */
	
	return 0;
}

static ssize_t i2c_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;

	/* copy_from_user  */


	struct i2c_msg msgs[2];

	/* 初始化i2c_msg */

	err = i2c_transfer(g_client->adapter, msgs, 2);

	
	return 0;    
}


static unsigned int i2c_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{
	//printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	poll_wait(fp, &gpio_wait, wait);
	//return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
	return 0;
}

static int i2c_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{
	if (fasync_helper(fd, file, on, &i2c_fasync) >= 0)
		return 0;
	else
		return -EIO;
}


/* 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations i2c_drv_fops = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.read    = i2c_drv_read,
	.write   = i2c_drv_write,
	.poll    = i2c_drv_poll,
	.fasync  = i2c_drv_fasync,
};


static int i2c_drv_probe(struct i2c_client *client,
			const struct i2c_device_id *id)
{
	// struct device_node *np = client->dev.of_node;   从client获取设备节点
	// struct i2c_adapter *adapter = client->adapter;  从client获取控制器

	/* 记录client */
	g_client = client;

	/* 注册字符设备 */
	/* 注册file_operations 	*/
	major = register_chrdev(0, "100ask_i2c", &i2c_drv_fops);  /* /dev/gpio_desc */

	my_i2c_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_i2c_class");
	if (IS_ERR(my_i2c_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "100ask_i2c");
		return PTR_ERR(my_i2c_class);
	}

	device_create(my_i2c_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "myi2c"); /* /dev/myi2c */
	
	return 0;
}

static int i2c_drv_remove(struct i2c_client *client)
{
	/* 反注册字符设备 */
	device_destroy(my_i2c_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(my_i2c_class);
	unregister_chrdev(major, "100ask_i2c");

	return 0;
}

static const struct of_device_id myi2c_dt_match[] = {
	{ .compatible = "100ask,i2cdev" },
	{},
};
static struct i2c_driver my_i2c_driver = {
	.driver = {
		   .name = "100ask_i2c_drv",
		   .owner = THIS_MODULE,
		   .of_match_table = myi2c_dt_match,
	},
	.probe = i2c_drv_probe,
	.remove = i2c_drv_remove,
};


static int __init i2c_drv_init(void)
{
	/* 注册i2c_driver */
	return i2c_add_driver(&my_i2c_driver);
}

static void __exit i2c_drv_exit(void)
{
	/* 反注册i2c_driver */
	i2c_del_driver(&my_i2c_driver);
}

/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(i2c_drv_init);
module_exit(i2c_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
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