I2C的基本原理和linux中I2C架构的实现

 

1. I2C 协议

 

 1.1  I2C总线工作原理

      I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，各种被控制器件均并联在这条总线上，每个器件都有一个唯一的地址识别，可以作为总线上的一个发送器件或接收器件(具体由器件的功能决定)

1.2  I2C总线的几种信号状态

      1. 空闲状态：SDA和SCL都为高电平。

      2. 开始条件(S)：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变（即下降沿），开始传送数据。

      3. 结束条件(P)：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变（即上升沿），结束传送数据。

      4. 数据有效：在SCL的高电平期间， SDA保持稳定，数据有效。SDA的改变只能发生在SCL的低电平期间。 

      5.  ACK信号:数据传输的过程中，接收器件每接收一个字节数据要产生一个ACK信号，向发送器件发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。

1.3  I2C总线基本操作

      I2C总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL），同时控制总线的传输方向，并产生开始和停止条件。

     数据传输中，首先主器件产生开始条件，随后是器件的控制字节（前七位是从器件的地址，最后一位为读写位）。接下来是读写操作的数据，以及 ACK响应信号。数据传输结束时，主器件产生停止条件

 

linux中I2C的源文件结构：

目录结构：

$ tree kernel_2.3.5/drivers/i2c/
kernel_2.3.5/drivers/i2c/
├── algos
│   ├── i2c-algo-bit.c
│   ├── i2c-algo-pca.c
│   ├── i2c-algo-pcf.c
│   ├── i2c-algo-pcf.h
│   ├── Kconfig
│   └── Makefile
├── busses
│   ├── i2c-acorn.c
│   ├── i2c-ali1535.c
│   ├── i2c-ali1563.c
│   ├── i2c-ali15x3.c
│   ├── i2c-amd756.c
│   ├── i2c-amd756-s4882.c
│   ├── i2c-amd8111.c
│   ├── i2c-at91.c
│   ├── i2c-au1550.c
│   ├── i2c-bfin-twi.c
│   ├── i2c-cpm.c
│   ├── i2c-davinci.c
│   ├── i2c-designware.c
│   ├── i2c-elektor.c
│   ├── i2c-gpio.c
│   ├── i2c-highlander.c
│   ├── i2c-hydra.c
│   ├── i2c-i801.c
│   ├── i2c-ibm_iic.c
│   ├── i2c-ibm_iic.h
│   ├── i2c-imx.c
│   ├── i2c-iop3xx.c
│   ├── i2c-iop3xx.h
│   ├── i2c-isch.c
│   ├── i2c-ixp2000.c
│   ├── i2c-mpc.c
│   ├── i2c-mv64xxx.c
│   ├── i2c-nforce2.c
│   ├── i2c-nforce2-s4985.c
│   ├── i2c-nomadik.c
│   ├── i2c-ocores.c
│   ├── i2c-octeon.c
│   ├── i2c-omap.c
│   ├── i2c-parport.c
│   ├── i2c-parport.h
│   ├── i2c-parport-light.c
│   ├── i2c-pasemi.c
│   ├── i2c-pca-isa.c
│   ├── i2c-pca-platform.c
│   ├── i2c-piix4.c
│   ├── i2c-pmcmsp.c
│   ├── i2c-pnx.c
│   ├── i2c-powermac.c
│   ├── i2c-pxa.c
│   ├── i2c-s3c2410.c
│   ├── i2c-s6000.c
│   ├── i2c-s6000.h
│   ├── i2c-sc8800.c
│   ├── i2c-sc8810.c
│   ├── i2c-scmi.c
│   ├── i2c-sh7760.c
│   ├── i2c-sh_mobile.c
│   ├── i2c-sibyte.c
│   ├── i2c-simtec.c
│   ├── i2c-sis5595.c
│   ├── i2c-sis630.c
│   ├── i2c-sis96x.c
│   ├── i2c-stu300.c
│   ├── i2c-stub.c
│   ├── i2c-taos-evm.c
│   ├── i2c-tiny-usb.c
│   ├── i2c-versatile.c
│   ├── i2c-via.c
│   ├── i2c-viapro.c
│   ├── i2c-xiic.c
│   ├── Kconfig
│   ├── Makefile
│   ├── scx200_acb.c
│   └── scx200_i2c.c
├── chips
│   ├── ds1682.c
│   ├── Kconfig
│   ├── Makefile
│   ├── mecs.c
│   ├── mecs.h
│   ├── mmc31xx.c
│   ├── mxc622x.c
│   ├── pca963x.c
│   └── tsl2550.c
├── i2c-boardinfo.c
├── i2c-core.c
├── i2c-core.h
├── i2c-dev.c
├── i2c-smbus.c
├── Kconfig
└── Makefile

3 directories, 91 files

 

 

i2c_core.c ： I2C核心

其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2C driver结构和I2C adapter结构。提供了

i2c_master_send()

i2c_master_recv()

i2c_transfer()

等函数。

 

i2c-pxa.c ： 实现了 i2c_adapter 和 i2c_algorithm （struct i2c_adapter和struct i2c_algorithm）

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，它只是存在在那里，等待设备驱动调用其函数。

在系统开机时，首先装载的是I2C总线驱动。一个总线驱动用于支持一条特定的I2C总线的读写。一个总线驱动通常需要两个模块，一个struct i2c_adapter和一个struct i2c_algorithm来描述。

 

i2c-dev.c  ： I2C设备驱动的实现

I2C的device是有两个模块来描述的，struct i2c_driver和struct i2c_client。

 

i2c-dev.c中提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过I2C adapter来实现的。构造一个对I2C core层接口的数据结构，通过接口函数向 I2C Core注册一个I2C设备驱动。同时构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。

static struct i2c_driver i2cdev_driver = {
 .driver = {
  .name = "dev_driver",
 },
 .id  = I2C_DRIVERID_I2CDEV,
 .attach_adapter = i2cdev_attach_adapter,
 .detach_adapter = i2cdev_detach_adapter,
 .detach_client = i2cdev_detach_client,
};

struct i2c_dev {
 struct list_head list;
 struct i2c_adapter *adap;
 struct device *dev;
};

该文件提供了用户层对I2C设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，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。

static const struct file_operations i2cdev_fops = {
 .owner  = THIS_MODULE,
 .llseek  = no_llseek,
 .read  = i2cdev_read,
 .write  = i2cdev_write,
 .ioctl  = i2cdev_ioctl,
 .open  = i2cdev_open,
 .release = i2cdev_release,
};

      注：通过I2C driver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。

在chips目录下包含着各种device 的driver，完成各种从设备的注册。作为一般的I2C设备，使用i2c-dev.c里的操作足够完成操作了。