Linux內(nèi)核中描述I2C的四個(gè)核心結(jié)構(gòu)體

第一：Linux中I2C驅(qū)動(dòng)框架分析

I2C核心（i2c_core）

I2C核心維護(hù)了i2c_bus結(jié)構(gòu)體，提供了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊、注銷方法，維護(hù)了I2C總線的驅(qū)動(dòng)、設(shè)備鏈表，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、驅(qū)動(dòng)的匹配探測。此部分代碼由Linux內(nèi)核提供。

I2C總線驅(qū)動(dòng)

I2C總線驅(qū)動(dòng)維護(hù)了I2C適配器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（i2c_adapter）和適配器的通信方法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（i2c_algorithm）。所以I2C總線驅(qū)動(dòng)可控制I2C適配器產(chǎn)生start、stop、ACK等。此部分代碼由具體的芯片廠商提供，比如Samsung、高通。

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要維護(hù)兩個(gè)結(jié)構(gòu)體：i2c_driver和i2c_client，實(shí)現(xiàn)和用戶交互的文件操作集合fops、cdev等。此部分代碼就是驅(qū)動(dòng)開發(fā)者需要完成的。

第二：Linux內(nèi)核中描述I2C的四個(gè)核心結(jié)構(gòu)體

1）i2c_client—掛在I2C總線上的I2C從設(shè)備

每一個(gè)i2c從設(shè)備都需要用一個(gè)i2c_client結(jié)構(gòu)體來描述，i2c_client對應(yīng)真實(shí)的i2c物理設(shè)備device。

struct i2c_client { 
    unsigned short flags;     //標(biāo)志位 （讀寫） 
  unsigned short addr;      //7位的設(shè)備地址（低7位） 
  char name[I2C_NAME_SIZE]; //設(shè)備的名字，用來和i2c_driver匹配 
  struct i2c_adapter *adapter; //依附的適配器(adapter),適配器指明所屬的總線（i2c0/1/2_bus） 
  struct device dev;           //繼承的設(shè)備結(jié)構(gòu)體 
  int irq;                     //設(shè)備申請的中斷號
  struct list_head detected;   //已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的設(shè)備鏈表 
};

但是i2c_client不是我們自己寫程序去創(chuàng)建的，而是通過以下常用的方式自動(dòng)創(chuàng)建的：

方法一: 分配、設(shè)置、注冊i2c_board_info

方法二: 獲取adapter調(diào)用i2c_new_device

方法三: 通過設(shè)備樹（devicetree）創(chuàng)建

方法1和方法2通過platform創(chuàng)建，這兩種方法在內(nèi)核3.0版本以前使用所以在這不詳細(xì)介紹；**方法3是最新的方法，**3.0版本之后的內(nèi)核都是通過這種方式創(chuàng)建的，文章后面的案例就按方法3。

2）i2c_adapter

I2C總線適配器，即soc中的I2C總線控制器，硬件上每一對I2C總線都對應(yīng)一個(gè)適配器來控制它。在Linux內(nèi)核代碼中，每一個(gè)adapter提供了一個(gè)描述它的結(jié)構(gòu)(struct i2c_adapter)，再通過i2c core層將i2c設(shè)備與i2c adapter關(guān)聯(lián)起來。主要用來完成i2c總線控制器相關(guān)的數(shù)據(jù)通信，此結(jié)構(gòu)體在芯片廠商提供的代碼中維護(hù)。

struct i2c_adapter {
    struct module *owner;
    unsigned int class;               //允許匹配的設(shè)備的類型
    const struct i2c_algorithm *algo; //指向適配器的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的算法
    struct device dev;                //指向適配器的設(shè)備結(jié)構(gòu)體
    char name[48];                    //適配器的名字
};

3）i2c_algorithm
I2C總線數(shù)據(jù)通信算法，通過管理I2C總線控制器，實(shí)現(xiàn)對I2C總線上數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等操作。亦可以理解為I2C總線控制器（適配器adapter）對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，每一個(gè)適配器對應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，用來描述適配器和設(shè)備之間的通信方法，由芯片廠商去實(shí)現(xiàn)的。

struct i2c_algorithm {
    //傳輸函數(shù)指針，指向?qū)崿F(xiàn)IIC總線通信協(xié)議的函數(shù)
    int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);        
};

4）i2c_driver
用于管理I2C的驅(qū)動(dòng)程序和i2c設(shè)備（client）的匹配探測，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層交互的文件操作集合fops、cdev等。

struct i2c_driver {
    int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); //設(shè)備匹配成功調(diào)用的函數(shù)
    int (*remove)(struct i2c_client *);                              //設(shè)備移除之后調(diào)用的函數(shù)
    struct device_driver driver;                                     //設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體
    const struct i2c_device_id *id_table;   //設(shè)備的ID表，匹配用platform創(chuàng)建的client
};

第三：應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)mpu6050驅(qū)動(dòng)，讀取溫度

在設(shè)備樹中描述I2C設(shè)備信息

@i2c-0 {//表示這個(gè)i2c_client所依附的adapter是i2c-0
    //對應(yīng)i2c_client的name = "invensense,mpu6050"
    compatible = "invensense,mpu6050";
    //對應(yīng)i2c_client的addr = 0x69  -- 從機(jī)設(shè)備的地址
    reg = <0x69>;
    //對應(yīng)i2c_client的irq
    interrupts = <70>;
};

最終內(nèi)核會(huì)將這個(gè)設(shè)備樹的節(jié)點(diǎn)解析為一個(gè)i2c_client結(jié)構(gòu)體與i2c_driver結(jié)構(gòu)體進(jìn)行匹配。

第四：編寫驅(qū)動(dòng)代碼

分配、設(shè)置、注冊i2c_driver結(jié)構(gòu)體

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
", __func__);


    i2c_add_driver(&mpu6050_driver);


    return 0;
}

i2c總線驅(qū)動(dòng)模型屬于設(shè)備模型中的一類，同樣struct i2c_driver結(jié)構(gòu)體繼承于struct driver，匹配方法和設(shè)備模型中講的一樣，這里要去匹配設(shè)備樹，所以必須實(shí)現(xiàn)i2c_driver結(jié)構(gòu)體中的driver成員中的of_match_table成員：

/* 用來匹配mpu6050的設(shè)備樹 */
static struct of_device_id mpu6050_of_match[] = {
    {.compatible = "invensense,mpu6050"},
    {},
};

如果和設(shè)備樹匹配成功，那么就好調(diào)用probe函數(shù)

/* 匹配函數(shù),設(shè)備樹中的mpu6050結(jié)點(diǎn)對應(yīng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)client結(jié)構(gòu)體 */ 
static int mpu6050_probe(struct i2c_client * client, const struct i2c_device_id * id) 
{ 
  int ret; 
  printk("mpu6050 match ok!
"); 
  
  mpu6050_dev.client = client; /* 注冊設(shè)備號 */ 
  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; 
}

實(shí)現(xiàn)文件操作集合

struct file_operations mpu6050_fops = { 
  .owner = THIS_MODULE, 
  .open = mpu6050_open, 
  .release = mpu6050_release, 
  .unlocked_ioctl = mpu6050_ioctl, 
};
static int mpu6050_open(struct inode * inodep, struct file * filep) 
{ 
  printk("%s called
", __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
", __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; 
}

如何實(shí)現(xiàn)對i2c從設(shè)備的讀寫操作？

/* 讀取mpu6050中一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),將讀取的數(shù)據(jù)的地址返回 */ 
static int mpu6050_read_byte(struct i2c_client * client, unsigned char reg_add) 
{ 
  int ret; /* 要讀取的那個(gè)寄存器的地址 */ 
  char txbuf = reg_add; /* 用來接收讀到的數(shù)據(jù) */ 
  char rxbuf[1]; /* i2c_msg指明要操作的從機(jī)地址，方向，緩沖區(qū) */ 
  struct i2c_msg msg[] = { 
    {client->addr, 0, 1, &txbuf}, //0表示寫，向往從機(jī)寫要操作的寄存器的地址 
    {client->addr, I2C_M_RD, 1, rxbuf}, //讀數(shù)據(jù) 
  }; 
  /* 通過i2c_transfer函數(shù)操作msg */ 
  ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2); //執(zhí)行2條msg 
  if (ret < 0) 
  { 
    printk("i2c_transfer read err
"); 
    return -1; 
  } 
  return rxbuf[0]; 
} 
static int mpu6050_write_byte(struct i2c_client * client, unsigned char reg_addr, unsigned char data) 
{ 
  int ret; /* 要寫的那個(gè)寄存器的地址和要寫的數(shù)據(jù) */ 
  char txbuf[] = {reg_addr, data}; /* 1個(gè)msg，寫兩次 */
  struct i2c_msg msg[] = { 
    {client->addr, 0, 2, txbuf} 
  }; 
  ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 1); if (ret < 0) 
  { 
    printk("i2c_transfer write err
"); 
    return -1; 
  } 
  return 0; 
}

在實(shí)現(xiàn)讀寫操作的時(shí)候，使用了一個(gè)重要的函數(shù)i2c_transfer()，這個(gè)函數(shù)是i2c核心提供給設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，通過它發(fā)送的數(shù)據(jù)需要被打包成i2c_msg結(jié)構(gòu)，這個(gè)函數(shù)最終會(huì)回調(diào)相應(yīng)i2c_adapter->i2c_algorithm->master_xfer()接口將i2c_msg對象發(fā)送到i2c物理控制器。

struct i2c_msg {
    __u16 addr;     /* slave address  */
    __u16 flags;    /* 1 - 讀  0 - 寫 */
    __u16 len;      /* msg length     */
    __u8 *buf;      /* 要發(fā)送的數(shù)據(jù)   */
};

以上是我對Linux中I2C驅(qū)動(dòng)框架的分析及實(shí)際案例分析，如有不足歡迎指出。

審核編輯：劉清