I2C协议->裸机程序->adapter驱动程序分析

开发板：mini2440

内核  ：linux2.6.32.2

参考  ：韦东山毕业班I2C视频教程

1、i2c协议简要分析

    i2c中线是一种由 PHILIPS 公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，它具有以下特点。
        1、只有两条总线线路：一条串行数据线SDA,一条串行时钟线SCL。
        2、每个连接到总线的器件都可以使用软件根据它的唯一的地址来确定。
        3、传输数据的设备之间是简单的主从关系。
        4、主机可以用作主机发送器或者主机接收器。
        5、它是一个真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲突检测和仲裁来防止数据被破坏。
        6、串行的8位双向传输，位速在标准模式下可达 100kbit/s,在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可待3.4Mbit/s。
        7、片上的滤波器可以增加抗干扰能力，保证数据的完整性。

        8、连接到同一总线上的IC数量只受到总线的最大电容400Pf的限制。

    如上图所示，启动一个传输时，主机先发送一个S信号，然后发送8位数据。这8位数据的前7位为从机地址，第八位表示传输的方向（0表示写，1表示读），如果有数据则继续发送，最后发出P信号停止。

信号类型：

    注意：正常数据传输时，SDA 在 SCL 为低电平时改变，在 SCL 为高电平时保持稳定。
    开始信号 S 信号：
        SCL 为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
    结束信号 P 信号：
        SCL 为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
    响应信号 ACK：
        接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低 SDA 电平
    注意：在第9个时钟周期，发送器保持SDA为高，如果有ACK，那么第9个时钟周期SDA为低电平，如果没有为高电平，发送器根据电平高低分辨是否有ACK信号。
          如果使能了IIC中断，发送完8bit数据后，主机自动进入中断处理函数，此时SCL被发送器拉低，让接收器被迫等待。恢复传输只需要清除中断挂起。

2、 s3c2440 读写流程

    1、设置传输模式 IICSTAT[7-6]，我们做实验与AT24C08通信时，2440作为主机，因此只用到主机发模式和主机收模式。
    2、写入从机地址到 IICDS[7-1]，此时IICDS[7-1]位表示从机地址，第0位不关心。如 AT24C08 为 0xA0(最低位写0了，发送到数据线上的7位地址的后边以为才表示收发，这里虽然写0但并不是根据这里的0来真正发送的)。
    3、写 0xF0(写) 或 0xB0(读)到 IICSTAT 寄存器, 高两位表示 传输模式前边设置过了，设置IICSTT[5-4] 为 11,使能传输，发送S信号。
    4、IIC控制器自动将第2步中设置的 IICDS[7-1] 再根据 传输模式 补充 IICDS[0]位，发送出去。
    5、进入第9个时钟周期，此时，从机决定是否发出ACK信号，主机进入中断，判断是否收到ACK信号，以及是否继续传输。
    继续发送：
        1、将数据写入 IICDS 
        2、清除中断挂起，SCL时钟恢复，IICDS的数据被自动发送到 SDA 线上，回到第5步。
    停止发送：
        1、写 0xD0(写) 和 0x90(读) 到 IICATAT ，IICATAT[7-6]还是表示的传输模式，IICATAT[5-4] == 0 1，发送停止信号
        2、清除中断挂起，SCL时钟恢复，发出停止信号
        3、延时，等待停止信号发出

3、 AT24C08 读写分析

    1、写过程

    写过程与2440芯片的里的写流程相一致，按照流程写就OK

    2、读过程

    读过程是由2440芯片里的一个写流程加一个读流程组合而成，其中写流程结束没有发出P信号，而是直接发出了S信号开始读流程，也就是我为什么加了一道红线的原因。

附上一份简单的裸机程序，仅供参考：基于MINI2440

#include <stdio.h>#include "s3c2440.h"void Delay(int time);#define WRDATA      (1)#define RDDATA      (2)typedef struct tI2C {    unsigned char *pData;   /* 数据缓冲区 */    volatile int DataCount; /* 等待传输的数据长度 */    volatile int Status;    /* 状态 */    volatile int Mode;      /* 模式：读/写 */    volatile int Pt;        /* pData中待传输数据的位置 */}tS3C24xx_I2C, *ptS3C24xx_I2C;static tS3C24xx_I2C g_tS3C24xx_I2C;/* * I2C初始化 */void i2c_init(void){    GPEUP  |= 0xc000;       // 禁止内部上拉/* *AT24C08 两根线 I2CSCL I2CSDA 与 2440芯片相连 *  配置2440 GPECON GPE15 GPE14引脚为I2C功能 */    GPECON |= 0xa0000000;   // 选择引脚功能：GPE15:IICSDA, GPE14:IICSCL/* 开INT_IIC中断 */    //INTMSK &= ~(BIT_IIC);    /* bit[7] = 1, 使能ACK     * bit[6] = 0, IICCLK = PCLK/16     * bit[5] = 1, 使能中断     * bit[3:0] = 0xf, Tx clock = IICCLK/16     * PCLK = 50MHz, IICCLK = 3.125MHz, Tx Clock = 0.195MHz     */    IICCON = (1<<7) | (0<<6) | (1<<5) | (0xf);  // 0xaf    //IICADD  = 0x10;     // S3C24xx slave address = [7:1]    IICSTAT = 0x10;     // I2C串行输出使能(Rx/Tx)}void I_Write(unsigned int slvaddr, unsigned char addr, unsigned char data)  {      unsigned int ack;  // 写从地址IICSTAT |= 0x1<<6;//主机写模式       IICSTAT |= 0x1<<7;      IICDS = slvaddr;//0xa0;  //write slave address to IICDS       IICCON&=~0x10; //clear pending bit       IICSTAT = 0xf0;  //(M/T start)       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending       // 写寄存器地址        IICDS = addr;      IICCON&=~0x10; //clear pending bit       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending   // 写数据    IICDS = data;      IICCON&=~0x10; //clear pending bit       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending   // 发出停止信号    IICSTAT = 0xD0; //write (M/T stop to IICSTAT)       IICCON&=~0x10; //clear pending bit       while((IICSTAT & 1<<5) == 1);  }  unsigned char I_Read(unsigned int slvaddr, unsigned char addr)  {      unsigned char data  = 1;      int ack;  // 写从地址IICSTAT |= 0x1<<6;//主机写模式       IICSTAT |= 0x1<<7;  slvaddr = 0xA0;        IICDS = slvaddr;//0xa0;  //write slave address to IICDS       IICCON&=~0x10; //clear pending bit       IICSTAT = 0xf0;  //(M/T start)       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending         // 写寄存器地址    IICDS = addr;      IICCON&=~0x10; //clear pending bit       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending        // 写从地址(读模式)    slvaddr = 0xA1;    IICSTAT &= ~(0x1<<6);//主机接受模式      IICSTAT |= 0x1<<7;      IICDS = slvaddr;      IICCON&=~0x10; //clear pending bit       IICSTAT = 0xb0;  //(M/R Start)       while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//uart_SendByte('o');//ack period and then interrupt is pending::   // 读数据    data = IICDS;      //IICCON&=~0x10; //clear pending bitIICCON = 0x2f;//清挂起状态，并设置无应答    while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending       data = IICDS;      //IICCON&=~0x10; //clear pending bit   IICCON = 0x2f;//清挂起状态，并设置无应答    while((IICCON & 1<<4) == 0);//udelay(10);//ack period and then interrupt is pending       IICSTAT = 0x90;  IICCON = 0xaf;    //IICCON &= ~0x10; //clear pending bit       while((IICSTAT & 1<<5) == 1);      return data;        } 

4、adapter驱动程序
    这里，我们主要分析驱动里的发送核心算法，至于注册中断，IO内存映射，设置寄存器不在讨论。
    static int xxx_i2c_xfer(struct i2c_adapter *adpap, struct i2c_msg *msg,int num)
    这个算法函数的作用就是将上层封装好的一些i2c_msg 进行解析，将数据写入寄存器，发送出去。在设备驱动层，我们使用了类似i2c_smbus_write_byte 等函数，类似的函数有很多，它们的作用就是封装i2c_msg 结构(比如读和写的 msg 肯定不一样，读一个字节和读多个字节也不一样)，然后调用 i2c_smbus_xfer_emulated->i2c_transfer，最终调用到我们的xxx_i2c_xfer函数进行传输。通过分析i2c_smbus_xfer_emulated函数，我们可以了解i2c_msg是如何封装的。下面，我们简单分析一下，知道最上层想干什么，我们才能知道实现哪些底层的功能不是。

struct i2c_msg {__u16 addr;//从机地址__u16 flags;__u16 len;// buf 里 有多少个字节__u8 *buf;// 本 msg 含有的数据，可能是1个字节，可有可能是多个字节};

    此函数，省略了很多内容，举例分析而已~，细节请看源码

static s32 i2c_smbus_xfer_emulated(struct i2c_adapter * adapter, u16 addr,                                   unsigned short flags,                                   char read_write, u8 command, int size,                                   union i2c_smbus_data * data){unsigned char msgbuf0[I2C_SMBUS_BLOCK_MAX+3];unsigned char msgbuf1[I2C_SMBUS_BLOCK_MAX+2];int num = read_write == I2C_SMBUS_READ?2:1;// 写操作两个Msg 读操作一个msg 这和我们前面分析AT24c08是一致的struct i2c_msg msg[2] = { { addr, flags, 1, msgbuf0 },                          { addr, flags | I2C_M_RD, 0, msgbuf1 }                        };msgbuf0[0] = command;// 从机地址右移1位得到的，比如AT24C08  为 0x50switch(size) {case I2C_SMBUS_BYTE_DATA:// 单字节读写if (read_write == I2C_SMBUS_READ)msg[1].len = 1;/* * 读： *msgbuf0[0] = command *  msg[1].len = 1,数据会读到 msgbuf0[1] 里 */else {msg[0].len = 2;msgbuf0[1] = data->byte;/* * 写： *msgbuf0[0] = command *msgbuf0[1] = data->byte */}break;}status = i2c_transfer(adapter, msg, num);}

    上面代码跟我们分析AT24C08的时候如出一辙，对于一个写操作，我们只需要一个2440的写流程对应于这里的一个Msg，然而对于读操作，我们需要2440的两个流程，对应于这里的两个Msg。那么，我们底层控制器驱动需要做的工作就是，取出所有的Msg，将每一个Msg里buf里的数据发送出去，如果有下一个Msg, 那么再将下一个Msg里的buf发送完毕，最后发出P停止信号。还有一点，每发送一个Msg都要先发出S开始信号。

    在看adapter程序之前，我们先来简单思考一下，发出S开始信号之后，可能有以下3中情况：
        1、当前msg.len == 0 ，如果有ACK直接发出stop信号。这种情况出现在，控制器枚举设备的时候，因为它只发送S信号以及设备地址，不发送数据。
        2、根据msg->flags 为 I2C_M_RD 等信息判断读写，msg->flags 最低位为1表示读，最低位为0表示写。
            #define I2C_M_TEN0x0010          /* this is a ten bit chip address */
            #define I2C_M_RD0x0001           /* read data, from slave to master */
            #define I2C_M_NOSTART0x4000      /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
            #define I2C_M_REV_DIR_ADDR0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
            #define I2C_M_IGNORE_NAK0x1000   /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
            #define I2C_M_NO_RD_ACK0x0800    /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
            #define I2C_M_RECV_LEN0x0400     /* length will be first received byte */
        2.1 如果是读
            恢复 IIC 传输，开始读就行了，在下一个中断里将寄存器数据取出，如果是最后一个要读取的数据，不能发送ACK（禁用ACK）。
        2.2 如果是写
         将数据写入 IICDS 寄存器，恢复 IIC 传输。

附上韦东山老师的程序：

    看程序之前，看一个大致的流程图，对于理解程序有帮助

#include <linux/kernel.h>#include <linux/module.h>#include <linux/i2c.h>#include <linux/init.h>#include <linux/time.h>#include <linux/interrupt.h>#include <linux/delay.h>#include <linux/errno.h>#include <linux/err.h>#include <linux/platform_device.h>#include <linux/pm_runtime.h>#include <linux/clk.h>#include <linux/cpufreq.h>#include <linux/slab.h>#include <linux/io.h>#include <linux/of_i2c.h>#include <linux/of_gpio.h>#include <plat/gpio-cfg.h>#include <mach/regs-gpio.h>#include <asm/irq.h>#include <plat/regs-iic.h>#include <plat/iic.h>//#define PRINTK printk#define PRINTK(...) enum s3c24xx_i2c_state {STATE_IDLE,STATE_START,STATE_READ,STATE_WRITE,STATE_STOP};struct s3c2440_i2c_regs {unsigned int iiccon;unsigned int iicstat;unsigned int iicadd;unsigned int iicds;unsigned int iiclc;};struct s3c2440_i2c_xfer_data {struct i2c_msg *msgs;int msn_num;int cur_msg;int cur_ptr;int state;int err;wait_queue_head_t wait;};static struct s3c2440_i2c_xfer_data s3c2440_i2c_xfer_data;static struct s3c2440_i2c_regs *s3c2440_i2c_regs;static void s3c2440_i2c_start(void){s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_START;if (s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->flags & I2C_M_RD) /* 读 */{s3c2440_i2c_regs->iicds = s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->addr << 1;s3c2440_i2c_regs->iicstat  = 0xb0;// 主机接收，启动}else /* 写 */{s3c2440_i2c_regs->iicds = s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->addr << 1;s3c2440_i2c_regs->iicstat    = 0xf0; // 主机发送，启动}}static void s3c2440_i2c_stop(int err){s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_STOP;s3c2440_i2c_xfer_data.err   = err;PRINTK("STATE_STOP, err = %d\n", err);if (s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->flags & I2C_M_RD) /* 读 */{// 下面两行恢复I2C操作，发出P信号s3c2440_i2c_regs->iicstat = 0x90;s3c2440_i2c_regs->iiccon  = 0xaf;ndelay(50);  // 等待一段时间以便P信号已经发出}else /* 写 */{// 下面两行用来恢复I2C操作，发出P信号s3c2440_i2c_regs->iicstat = 0xd0;s3c2440_i2c_regs->iiccon  = 0xaf;ndelay(50);  // 等待一段时间以便P信号已经发出}/* 唤醒 */wake_up(&s3c2440_i2c_xfer_data.wait);}static int s3c2440_i2c_xfer(struct i2c_adapter *adap,struct i2c_msg *msgs, int num){unsigned long timeout;/* 把num个msg的I2C数据发送出去/读进来 */s3c2440_i2c_xfer_data.msgs    = msgs;s3c2440_i2c_xfer_data.msn_num = num;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_msg = 0;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr = 0;s3c2440_i2c_xfer_data.err     = -ENODEV;s3c2440_i2c_start();/* 休眠 */timeout = wait_event_timeout(s3c2440_i2c_xfer_data.wait, (s3c2440_i2c_xfer_data.state == STATE_STOP), HZ * 5);if (0 == timeout){printk("s3c2440_i2c_xfer time out\n");return -ETIMEDOUT;}else{return s3c2440_i2c_xfer_data.err;}}static u32 s3c2440_i2c_func(struct i2c_adapter *adap){return I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL | I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING;}static const struct i2c_algorithm s3c2440_i2c_algo = {//.smbus_xfer     = ,.master_xfer= s3c2440_i2c_xfer,.functionality= s3c2440_i2c_func,};/* 1. 分配/设置i2c_adapter */static struct i2c_adapter s3c2440_i2c_adapter = { .name = "s3c2440_100ask", .algo = &s3c2440_i2c_algo, .owner  = THIS_MODULE,};static int isLastMsg(void){return (s3c2440_i2c_xfer_data.cur_msg == s3c2440_i2c_xfer_data.msn_num - 1);}static int isEndData(void){return (s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr >= s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->len);}static int isLastData(void){return (s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr == s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->len - 1);}static irqreturn_t s3c2440_i2c_xfer_irq(int irq, void *dev_id){unsigned int iicSt;    iicSt  = s3c2440_i2c_regs->iicstat; if(iicSt & 0x8){ printk("Bus arbitration failed\n\r"); }switch (s3c2440_i2c_xfer_data.state){case STATE_START : /* 发出S和设备地址后,产生中断 */{PRINTK("Start\n");/* 如果没有ACK, 返回错误 */if (iicSt & S3C2410_IICSTAT_LASTBIT){s3c2440_i2c_stop(-ENODEV);break;}if (isLastMsg() && isEndData()){s3c2440_i2c_stop(0);break;}/* 进入下一个状态 */if (s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->flags & I2C_M_RD) /* 读 */{s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_READ;goto next_read;}else{s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_WRITE;}}case STATE_WRITE:{PRINTK("STATE_WRITE\n");/* 如果没有ACK, 返回错误 */if (iicSt & S3C2410_IICSTAT_LASTBIT){s3c2440_i2c_stop(-ENODEV);break;}if (!isEndData())  /* 如果当前msg还有数据要发送 */{s3c2440_i2c_regs->iicds = s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->buf[s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr];s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr++;// 将数据写入IICDS后，需要一段时间才能出现在SDA线上ndelay(50);s3c2440_i2c_regs->iiccon = 0xaf;// 恢复I2C传输break;}else if (!isLastMsg()){/* 开始处理下一个消息 */s3c2440_i2c_xfer_data.msgs++;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_msg++;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr = 0;s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_START;/* 发出START信号和发出设备地址 */s3c2440_i2c_start();break;}else{/* 是最后一个消息的最后一个数据 */s3c2440_i2c_stop(0);break;}break;}case STATE_READ:{PRINTK("STATE_READ\n");/* 读出数据 */s3c2440_i2c_xfer_data.msgs->buf[s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr] = s3c2440_i2c_regs->iicds;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr++;next_read:if (!isEndData()) /* 如果数据没读写, 继续发起读操作 */{if (isLastData())  /* 如果即将读的数据是最后一个, 不发ack */{s3c2440_i2c_regs->iiccon = 0x2f;   // 恢复I2C传输，接收到下一数据时无ACK}else{s3c2440_i2c_regs->iiccon = 0xaf;   // 恢复I2C传输，接收到下一数据时发出ACK}break;}else if (!isLastMsg()){/* 开始处理下一个消息 */s3c2440_i2c_xfer_data.msgs++;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_msg++;s3c2440_i2c_xfer_data.cur_ptr = 0;s3c2440_i2c_xfer_data.state = STATE_START;/* 发出START信号和发出设备地址 */s3c2440_i2c_start();break;}else{/* 是最后一个消息的最后一个数据 */s3c2440_i2c_stop(0);break;}break;}default: break;}/* 清中断 */s3c2440_i2c_regs->iiccon &= ~(S3C2410_IICCON_IRQPEND);return IRQ_HANDLED;}/* * I2C初始化 */static void s3c2440_i2c_init(void){struct clk *clk;clk = clk_get(NULL, "i2c");clk_enable(clk);    // 选择引脚功能：GPE15:IICSDA, GPE14:IICSCL    s3c_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE(14), S3C2410_GPE14_IICSCL);s3c_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE(15), S3C2410_GPE15_IICSDA);    /* bit[7] = 1, 使能ACK     * bit[6] = 0, IICCLK = PCLK/16     * bit[5] = 1, 使能中断     * bit[3:0] = 0xf, Tx clock = IICCLK/16     * PCLK = 50MHz, IICCLK = 3.125MHz, Tx Clock = 0.195MHz     */    s3c2440_i2c_regs->iiccon = (1<<7) | (0<<6) | (1<<5) | (0xf);  // 0xaf    s3c2440_i2c_regs->iicadd  = 0x10;     // S3C24xx slave address = [7:1]    s3c2440_i2c_regs->iicstat = 0x10;     // I2C串行输出使能(Rx/Tx)}static int i2c_bus_s3c2440_init(void){/* 2. 硬件相关的设置 */s3c2440_i2c_regs = ioremap(0x54000000, sizeof(struct s3c2440_i2c_regs));s3c2440_i2c_init();request_irq(IRQ_IIC, s3c2440_i2c_xfer_irq, 0, "s3c2440-i2c", NULL);init_waitqueue_head(&s3c2440_i2c_xfer_data.wait);/* 3. 注册i2c_adapter */i2c_add_adapter(&s3c2440_i2c_adapter);return 0;}static void i2c_bus_s3c2440_exit(void){i2c_del_adapter(&s3c2440_i2c_adapter);free_irq(IRQ_IIC, NULL);iounmap(s3c2440_i2c_regs);}module_init(i2c_bus_s3c2440_init);module_exit(i2c_bus_s3c2440_exit);MODULE_LICENSE("GPL");