原创 实例解析linux内核I2C体系结构（1）

作者：刘洪涛,华清远见嵌入式学院讲师。

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 <lht@farsight.com.cn>
        */
        #include <stdio.h>
        #include <linux/types.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <fcntl.h>
        #include <unistd.h>
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/ioctl.h>
        #include <errno.h>
        #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。