Linux驱动.之I2C，iic驱动层（二）

一、 Linux下IIC驱动架构

本篇只分析，一个整体框架。

1、首先说说，单片机，的i2c硬件接口图，一个i2c接口，通过sda和scl总线，外接了多个设备device，通过单片机，来控制i2c的信号发生，

控制器件，所以，我们需要写起始信号，停止信号，应对信号，数据发送函数等等。

2、Linux定义了系统的IIC驱动体系结构，在Linux系统中，IIC驱动由3部分组成，IIC核心层、IIC总线层，IIC设备驱动层 。这3部分相互协作，形成了非常通用、可适应性很强的IIC框架。

3、linux与单片机

linux与单片机的对比，原理是一样的，在编写单片机信号控制的代码（始信号，停止信号，应对信号），其实就是对应linux 的IIC总线层，linux对它进行了抽象成（i2c adapter的algorithm），对外提供统一接口，提供给驱动层调用。

单片机 app.c，应用程序

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unsigned char AT24C_WriteStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num)
{
    
     // 1、发送起始信号，器件地址，探测器件是否存在
     IIC_Start（）
     //2、发送要写入数据的地址
     //3、发送数据
      IIC_SendByte（）
	 //4、发送停止信号，写完了
}

驱动层，i2c_drive.c

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void IIC_Start(void)  
void IIC_Stop(void)  
void IIC_SendByte(unsigned char dat)
void IIC_ACK(void)

单片机外接了很多设备，就需操作多个设备，在单片机编程中，往往会封装一个write_data ,read_data 函数，放在应用层app文件，那里面就包含了时序控制函数，具体参考C语言模拟i2c篇。封装后，给具体的i2c device设备用。那对应到linux，不就是设备驱动层。驱动层仿照一套字符设备的方法，提供probe函数，注册class类，device类，device类里就是封装了open，read，write等file_opration结构体，给应用层调用。app应用层，就可以把一个个i2c设备，当做·文件来处理，打开各个i2c外接设备，传输读写数据。

linux的核心层，不就是，linux内核，提供一套注册方法，描述了很多东西，将设备驱动绑定到总线bus的adapter的方法，并注册到内核。

上图完整的描述了linux i2c驱动架构，虽然I2C硬件体系结构比较简单，但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。

那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序？就是说上述架构中的那些部分需要我们完成，而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的？

1、架构层次分类

第一层：提供i2c adapter的硬件驱动，探测、初始化i2c adapter （如申请i2c的io地址和中断号），驱动soc控制的i2c adapter在硬件上产生信号（start、stop、ack）以及处理i2c中断。覆盖图中的硬件实现层

第二层：提供i2c adapter的algorithm ，用具体适配器的xxx_xferf ()函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针，并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层

第三层：实现i2c设备驱动中的i2c_driver 接口，用具体的i2c device设备的attach_adapter()、detach_adapter()方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。实现设备device与总线（或者叫adapter）的挂接。覆盖图中的driver驱动层

第四层：实现i2c设备所对应的具体device的驱动 ，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接，而挂接在总线上的设备则是千差万别的，所以要实现具体设备device的write()、read()、ioctl()等方法 ，赋值给file_operations，然后注册字符设备（多数是字符设备）。覆盖图中的driver驱动层

第一层和第二层又叫i2c总线驱动(bus)，第三，第四属于i2c设备驱动层(device driver)。

在linux驱动架构中，几乎不需要驱动开发人员再添加bus，因为linux内核几乎集成所有总线bus，如usb、pci、i2c等等。并且总线bus中的(与特定硬件相关的代码)已由芯片提供商编写完成，现在与硬件相关的adapter，是放在芯片厂商各自dts中，老的内核版本是，放在内核中，例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c。第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了。

二、Linux下I2C驱动体系结构三部分详细分析

1、 IIC核心

IIC 核心提供了IIC总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，IIC通信方法（即"algorithm"，笔者认为直译为"运算方法"并不合适，为免引起误解，下文将直接使用"algorithm"）上层的、与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。

在我们的Linux驱动的i2c文件夹下有algos，busses，chips三个文件夹，另外还有i2c-core.c和i2c-dev.c两个文件。

i2c-core.c文件实现了I2Ccore框架，是Linux内核用来维护和管理的I2C的核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2Cdriver结构和I2Cadapter结构。I2Ccore提供接口函数，允许一个I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化时在I2Ccore中进行注册，以及退出时进行注销。同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口，主要供在I2C设备驱动中，函数调用，进一步分装给app层用。

2、 IIC总线驱动

IIC总线驱动是对IIC硬件体系结构中适配器端的实现，适配器可由CPU控制，甚至直接集成在CPU内部。总线驱动的职责，是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯，它只是存在那里，等待设备驱动调用其函数。

IIC总线驱动主要包含了IIC适配器数据结构i2c_adapter、IIC适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制IIC适配器产生通信信号的函数。经由IIC总线驱动的代码，我们可以控制IIC适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写、产生ACK等。

Busses文件夹下的i2c-mpc.c文件实现了PowerPC下I2C总线适配器驱动，定义描述了具体的I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构，实现比较底层的对I2C总线访问的具体方法，比如设置gpio的寄存器，中断。I2Cadapter 构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，并通过接口函数向I2Ccore注册一个控制器。I2Cadapter主要实现对I2C总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2Cadpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。

3、 IIC设备驱动

IIC设备驱动是对IIC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IIC适配器上，通过IIC适配器与CPU交换数据。设备驱动则是与挂在I2C总线上的具体的设备通讯的驱动。通过I2C总线驱动提供的函数，设备驱动可以忽略不同总线控制器的差异，不考虑其实现细节地与硬件设备通讯。这样就无论换成什么soc，比如海思，三星，nxp，高通，都只需要写一个驱动函数就可以了，顶多修改下，设备名称，或者不用改。其实就是我前面讲的，这个驱动层，会去调用封装好的，adapter，时序·控制函数，transfer，数据传输函数，因为接口是linux内核统一了，所以驱动代码是无需更改的，i2c core层，提供的统一接口，所以满足了设备驱动，总线分离分层的思想，终于明白了分离的思想，就是分开了，soc换了，驱动不用改。

IIC设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver和i2c_client，我们需要根据具体设备实现其中的成员函数。

i2c-dev.c文件中实现了I2Cdriver，提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，实现了对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C设备的接口，包括实现open，release，read，write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过 read和write函数完成对I2C设备的读写操作。注册到内核，在class，device，/dev下就有i2c节点了。open(/dev/i2c2)，就可以了，读写数据。

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/* AP3216C操作函数file_operations  */
static const struct file_operations ap3216c_ops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = ap3216c_open,
	.read = ap3216c_read,
	.write= ap3216c_write,
	.release = ap3216c_release,
};

static int ap3216c_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
	/* 1、构建设备号 */
	if (ap3216cdev.major) {
		ap3216cdev.devid = MKDEV(ap3216cdev.major, 0);
		register_chrdev_region(ap3216cdev.devid, AP3216C_CNT, AP3216C_NAME);
	} else {
		alloc_chrdev_region(&ap3216cdev.devid, 0, AP3216C_CNT, AP3216C_NAME);
		ap3216cdev.major = MAJOR(ap3216cdev.devid);
	}

	/* 2、注册设备 */
	cdev_init(&ap3216cdev.cdev, &ap3216c_ops);
	cdev_add(&ap3216cdev.cdev, ap3216cdev.devid, AP3216C_CNT);

	/* 3、创建类 */
	ap3216cdev.class = class_create(THIS_MODULE, AP3216C_NAME);
	if (IS_ERR(ap3216cdev.class)) {
		return PTR_ERR(ap3216cdev.class);
	}

	/* 4、创建设备 */
	ap3216cdev.device = device_create(ap3216cdev.class, NULL, ap3216cdev.devid, NULL, AP3216C_NAME);
	if (IS_ERR(ap3216cdev.device)) {
		return PTR_ERR(ap3216cdev.device);
	}

	ap3216cdev.private_data = client;

	return 0;
}

static struct i2c_driver ap3216c_driver = {
	.probe = ap3216c_probe,
	.remove = ap3216c_remove,
	.driver = {
			.owner = THIS_MODULE,
		   	.name = "ap3216c",
		   	.of_match_table = ap3216c_of_match, 
		   },
	.id_table = ap3216c_id,
};

static int __init ap3216c_init(void)
{
	int ret = 0;
	ret = i2c_add_driver(&ap3216c_driver);
	return ret;
}

module_init(ap3216c_init);

最后，可以在linux内核看到这些，这里没用i2c，只是例子

drvie结构体，包含probe函数，和设备描述client，probe是字符设备那一套，注册一个类clase，设备device，到内核，最后内核起来后，映射到/dev/i2c1，这样就可以app，写应用程序，来操作字符设备那一套，读写数据，字符设备那一套，读写，就是单片机封装的，读写数据的app，给应用层使用

通过I2Cdriver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用I2C设备，我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。

三、具体结构体分析

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，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，如下图

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。

1、 i2c_client

一个IIC设备由i2c_client数据结构进行描述：

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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

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；

2、IIC设备驱动 i2c_driver

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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：

3、 i2c_adapter

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：

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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  
};

4、i2c_algorithm

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:

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struct  i2c_algorithm  
{  
    int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, 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);
 
    u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);  
  
};

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。

IIC设备驱动程序的步骤：

5、各结构体的作用与它们之间的关系

1、 i2c_adapter与i2c_algorithm

i2c_adapter对应与物理上的一个适配器，而i2c_algorithm对应一套通信方法，一个i2c适配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下层与硬件相关的代码提供）通信函数来控制适配器上产生特定的访问周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指针。i2c_algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生i2c访问周期需要的start stop ack信号，以i2c_msg（即i2c消息）为单位发送和接收通信数据。

i2c_msg也非常关键，调用驱动中的发送接收函数需要填充该结构体

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struct i2c_msg {    
    __u16 addr; /* slave address            */    
    __u16 flags;            
    __u16 len;      /* msg length               */    
    __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */    
};

2、i2c_driver和i2c_client

i2c_driver对应一套驱动方法，其主要函数是attach_adapter()和detach_client()

i2c_client对应真实的i2c物理设备device，每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述

i2c_driver与i2c_client的关系是一对多。一个i2c_driver上可以支持多个同等类型的i2c_client.

3、 i2c_adapter和i2c_client

i2c_adapter和i2c_client的关系与i2c硬件体系中适配器和设备的关系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一个适配器上可以连接多个i2c设备，所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的链表。

总结：从i2c驱动架构图中可以看出，linux内核对i2c架构抽象了一个叫核心层core的中间件，它分离了设备驱动device driver和硬件控制的实现细节（如操作i2c的寄存器），core层不但为上面的设备驱动提供封装后的内核注册函数，而且还为小面的硬件事件提供注册接口（也就是i2c总线注册接口），可以说core层起到了承上启下的作用。

5、设备树dts的作用。

以前是真没理解，为啥要有设备树，看这个图，恍然大悟，以前写单片机，要设置i2c控制，然后，有不同的单片机，51，nxp，stm32，太多了，每个soc的i2c设置都不一样，在内核里，每个芯片厂商，都会提交自己的芯片，设置i2c控制的，导致内核好大啊，越来越多，完蛋，就发明了dts，剥离出来，每个芯片商，自己写自己的dts，描述i2c寄存器，控制器的文件，发布时，不提交到内核里，自己发给客户，

现在才明白，并不是减少了代码，只是，不提交到内核社区，，这些描述soc相关的adapter，device跟板子有关的，自己维护就好了。内核只提供标注的接口。