I2C子系统驱动框架及应用

I2C子系统驱动框架：
应用程序层（app层）
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i2c driver层： 从设备驱动层（TS Sensor等）
1. 需要和应用层交互（fops cdev）
2. 封装数据，但是不知道数据如何写入到硬件，需要调用adapter层的相关函数去写
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i2c core：维护i2c bus， 包括i2c driver和i2c client链表
1. 实现i2c client和i2c driver的匹配
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i2c adapter层： i2c控制器层，初始化i2c控制器，实现i2c时序
1. 将数据写入或读取从设备
2. 不知道具体数据(i2c driver提供的数据)是什么，但知道具体如何操作（读/写）从设备
这一层是具体的厂商实现的，比如三星：driver/i2c/busser/i2c-s3c2410.c

框架中，i2c core是由Linux内核实现的（i2c-core.c）,i2c adapter是由具体的芯片厂商实现的，比如三星的芯片adapter实现都在driver/i2c/busser/i2c-s3c2410.c。所以这连个部分需要编译到uImage中（make menuconfig -> device driver -> <*> i2c support -> i2c hardware Bus support -> S3C2410 I2C driver）。
如果在/sys/bus/i2c/devices/i2c-0/1/2 表示有i2c-adapter 存在

在总结的时候看到有其他博友整理的框图非常好，我就借过来给大家分享！

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，而且还为下面的硬件事件提供注册接口（也就是i2c总线注册接口i2c_add_register），可以说core层起到了承上启下的作用。

相关的重要结构体和函数：
1. i2c_client
每一个i2c从设备都需要用一个i2c_client结构体来描述，i2c_client对应真实的i2c物理设备device，但是i2c_client不是我们自己写程序去创建的，而是通过以下常用的方式自动创建的(这个地方不做详细说明，以介绍总体框架为主)：
platform创建：
1. 注册i2c_board_info
2. 获取对应的adapter，然后i2c_new_device
devicetree创建：
3. 通过设备树的一个节点去描述一个从设备，设备树在解析的时候会自动创建client

struct i2c_client {    unsigned short flags;        //标志位 （读写）    unsigned short addr;         //7位的设备地址（低7位）    char name[I2C_NAME_SIZE];    //设备的名字，用来和i2c_driver匹配    struct i2c_adapter *adapter; //依附的适配器(adapter),适配器指明所属的总线（i2c0/1/2_bus）    struct device dev;           //继承的设备结构体    int irq;                     //设备申请的中断号    struct list_head detected;   //已经被发现的设备链表};

2. i2c_driver
driver是指向从设备的驱动程序，由我们自己去实现并通过i2c_add_register注册到i2c的bus中，和i2c clinet进行匹配，匹配成功则调用probe函数。

struct i2c_driver {    int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); //设备匹配成功调用的函数    int (*remove)(struct i2c_client *);                              //设备移除之后调用的函数    struct device_driver driver;                                     //设备驱动结构体    const struct i2c_device_id *id_table;   //设备的ID表，匹配用platform创建的client};

3. i2c_adapter
i2c总线适配器其实就是一个i2c总线控制器，本质上是一个物理设备，主要用来完成i2c总线控制器相关的数据通信
由芯片厂商去实现的。

struct i2c_adapter {    struct module *owner;    unsigned int class;               //允许匹配的设备的类型    const struct i2c_algorithm *algo; //指向适配器的驱动程序，实现发送数据的算法    struct device dev;                //指向适配器的设备结构体    char name[48];                    //适配器的名字};

4. i2c_algorithm
i2c算法，适配器对应的驱动程序，每一个适配器对应一个驱动程序，用来描述适配器和设备之间的通信方法
由芯片厂商去实现的。

struct i2c_algorithm {    //传输函数指针，指向实现IIC总线通信协议的函数    int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);        };

5. i2c_msg
把要发送的数据封装成msg结构体(比如16个字节进行拆分)

struct i2c_msg {    __u16 addr;     /* slave address  */    __u16 flags;    /* 1 - 读  0 - 写 */    __u16 len;      /* msg length     */    __u8 *buf;      /* 要发送的数据   */};

6. i2c_add_register
注册一个i2c_driver结构体，通过name或者id_tables或者of_match_table去匹配一个i2c_client,如果匹配成功，则会调用i2c_driver结构体里面的probe函数，并将对应的i2c_client结构体传过来。
#define i2c_add_driver(driver) i2c_register_driver(THIS_MODULE, driver)
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)

7. i2c_transfer
负责通过对应的i2c总线对依附于这个adapter的从机设备（i2c_client）进行读写数据（双向的）。其中要读写的数据要封装成为一个i2c_msg结构体，根据msg的flags标志位是0还是1来决定是读还是写。其实i2c_transfer是对master_xfer的封装。

/** * i2c_transfer - execute a single or combined I2C message * @adap: Handle to I2C bus * @msgs: One or more messages to execute before STOP is issued to *  terminate the operation; each message begins with a START. * @num: Number of messages to be executed. * * Returns negative errno, else the number of messages executed. * * Note that there is no requirement that each message be sent to * the same slave address, although that is the most common model. */int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)eg./* i2c_msg指明要操作的从机地址，方向，缓冲区 */struct i2c_msg msg[] = {    {client->addr, 0, 1, &txbuf},    //0表示写，向往从机写要操作的寄存器的地址    {client->addr, 1, 1, &rxbuf},    //读数据};/* 通过i2c_transfer函数操作msg */ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);    //执行2条msg

这几个重要结构体之间的关系：
a – 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

b –i2c_driver和i2c_client
i2c_driver对应一套驱动方法
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.

c – 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

下面给出一个i2c子系统实例代码（用设备树实现）：
主机 - 三星的某款cpu
从机 - mpu6050三轴加速度传感器

设备树描述：
当设备树被内核解析后会生成一个依附于i2c-0这个adapter的i2c_client

@i2c-0 {//表示这个i2c_client所依附的adapter是i2c-0    //对应i2c_client的name = "invensense,mpu6050"    compatible = "invensense,mpu6050";    //对应i2c_client的addr = 0x69  -- 从机设备的地址    reg = <0x69>;    //对应i2c_client的irq    interrupts = <70>;};

driver代码：

#include <linux/module.h>#include <linux/init.h>#include <linux/i2c.h>#include <linux/cdev.h>#include <linux/fs.h>#include <asm/uaccess.h>#include "mpu6050.h"MODULE_LICENSE("GPL");#define SMPLRT_DIV      0x19#define CONFIG          0x1A#define GYRO_CONFIG     0x1B#define ACCEL_CONFIG    0x1C#define TEMP_OUT_H      0x41#define TEMP_OUT_L      0x42#define PWR_MGMT_1      0x6Bint MAJOR = 255;int MINOR = 0;struct mpu6050_device {    struct cdev cdev;    dev_t devno;    struct i2c_client * client;}mpu6050_dev;/* 读取mpu6050中一个字节的数据,将读取的数据的地址返回 */static int mpu6050_read_byte(struct i2c_client * client, unsigned char reg_add){    int ret;    /* 要读取的那个寄存器的地址 */    char txbuf = reg_add;    /* 用来接收读到的数据 */    char rxbuf[1];    /* i2c_msg指明要操作的从机地址，方向，缓冲区 */    struct i2c_msg msg[] = {        {client->addr, 0, 1, &txbuf},       //0表示写，向往从机写要操作的寄存器的地址        {client->addr, I2C_M_RD, 1, rxbuf}, //读数据    };    /* 通过i2c_transfer函数操作msg */    ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);    //执行2条msg    if (ret < 0)    {        printk("i2c_transfer read err\n");        return -1;    }    return rxbuf[0];}static int mpu6050_write_byte(struct i2c_client * client, unsigned char reg_addr, unsigned char data){    int ret;    /* 要写的那个寄存器的地址和要写的数据 */    char txbuf[] = {reg_addr, data};    /* 1个msg，写两次 */    struct i2c_msg msg[] = {        {client->addr, 0, 2, txbuf}    };    ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 1);    if (ret < 0)    {        printk("i2c_transfer write err\n");        return -1;    }    return 0;}static int mpu6050_open(struct inode * inodep, struct file * filep){    printk("%s called\n", __func__);    mpu6050_write_byte(mpu6050_dev.client, PWR_MGMT_1, 0x00);    mpu6050_write_byte(mpu6050_dev.client, SMPLRT_DIV, 0x07);    mpu6050_write_byte(mpu6050_dev.client, CONFIG, 0x06);    mpu6050_write_byte(mpu6050_dev.client, GYRO_CONFIG, 0xF8);    mpu6050_write_byte(mpu6050_dev.client, ACCEL_CONFIG, 0x19);    return 0;}static int mpu6050_release(struct inode * inodep, struct file * filep){    printk("%s called\n", __func__);    return 0;}void get_temp(union mpu6050_data * data){    data->temp = mpu6050_read_byte(mpu6050_dev.client, TEMP_OUT_L);    data->temp |= mpu6050_read_byte(mpu6050_dev.client, TEMP_OUT_H) << 8;}static long mpu6050_ioctl(struct file * filep, unsigned int cmd, unsigned long arg){    union mpu6050_data data;    switch (cmd)    {        case GET_TEMP:            get_temp(&data);            break;        default:            break;    }    if (copy_to_user((unsigned int *)arg, &data, sizeof(data)))        return -1;    return 0;}struct file_operations mpu6050_fops = {    .owner = THIS_MODULE,    .open  = mpu6050_open,    .release = mpu6050_release,    .unlocked_ioctl = mpu6050_ioctl,};/* 匹配函数,设备树中的mpu6050结点对应转换为一个client结构体 */static int mpu6050_probe(struct i2c_client * client, const struct i2c_device_id * id){    int ret;    printk("mpu6050 match ok!\n");    mpu6050_dev.client = client;    /* 注册设备号 */    mpu6050_dev.devno = MKDEV(MAJOR, MINOR);    ret = register_chrdev_region(mpu6050_dev.devno, 1, "mpu6050");      if (ret < 0)        goto err1;    cdev_init(&mpu6050_dev.cdev, &mpu6050_fops);    mpu6050_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;    ret = cdev_add(&mpu6050_dev.cdev, mpu6050_dev.devno, 1);    if (ret < 0)        goto err2;    return 0;err2:    unregister_chrdev_region(mpu6050_dev.devno, 1);err1:    return -1;}static int mpu6050_remove(struct i2c_client * client){    printk("mpu6050 removed!\n");    cdev_del(&mpu6050_dev.cdev);    unregister_chrdev_region(mpu6050_dev.devno, 1);    return 0;}/* 用来匹配mpu6050的设备树 */static struct of_device_id mpu6050_of_match[] = {    {.compatible = "invensense,mpu6050"},    {},};struct i2c_driver mpu6050_driver = {    .driver = {        .name = "mpu6050",        .owner = THIS_MODULE,        .of_match_table = of_match_ptr(mpu6050_of_match),    },    .probe = mpu6050_probe,    .remove = mpu6050_remove,};static int mpu6050_init(void){    printk("%s called\n", __func__);    i2c_add_driver(&mpu6050_driver);    return 0;}static void mpu6050_exit(void){    printk("%s called\n", __func__);    i2c_del_driver(&mpu6050_driver);    return ;}module_init(mpu6050_init);module_exit(mpu6050_exit);