Linux內(nèi)核中I2C系統(tǒng)的設計思路

[ 導讀] 本文通過閱讀內(nèi)核代碼，來梳理一下I2C子系統(tǒng)的整體視圖。在開發(fā)I2C設備驅(qū)動程序時，往往缺乏對于系統(tǒng)整體的認識，沒有一個清晰的思路。所以從高層級來分析一下I2C系統(tǒng)的設計思路，將有助于設計調(diào)試具體的驅(qū)動程序。

I2C/SMBUS基礎

I2C是一種芯片間通訊總線技術，最早由Philips設計制定。下面內(nèi)容參考I2C 2.1 規(guī)格書

半雙工通信方式，通信采用主/從結(jié)構(gòu)

支持多主模式，下圖來源于I2C 2.1規(guī)格書

其內(nèi)部電氣實現(xiàn)采用集電極開路(Open-collector)/漏極開路(open-drain)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)線與功能，這是總線的實現(xiàn)基礎，多芯片通過查詢總線狀態(tài)實現(xiàn)介質(zhì)仲裁以實現(xiàn)總線控制。 ?

總線信號由兩線實現(xiàn)，串行時鐘線SCL(Serial Clock Line)/串行數(shù)據(jù)線SDA(serial Data Line)。

具有三種通訊速率模式：

standard mode:0-100 kbps ?(bps: bit/s)

Fast mode：0-400 kbps

High-speed mode : 0-3.4Mbps

可支持混速模式

不同的速率在硬件設計時需要注意信號的完整性，I2C總線等效電容Cx，主要需要考慮PCB布線，以及上拉電阻選取。

支持7bit/10bit 兩種芯片地址模式

I2C總線電氣特性，這個非常重要，須嚴格遵守標準的電氣特性

SMBUS(system management bus) 。大多數(shù)SMBus系統(tǒng)也符合I2C，電氣約束對于SMBus更為嚴格，并且它標準化了特定的協(xié)議消息和習慣用語。支持I2C的控制器也可以支持大多數(shù)SMBus操作，但是SMBus控制器并不支持I2C控制器將支持的所有協(xié)議選項。通過使用I2C原語或通過向不支持這些I2C操作的i2c_adapter設備發(fā)出SMBus命令，可以執(zhí)行各種SMBus協(xié)議操作。

I2C bus(Inter-Integrated Circuit bus) https://www.i2c-bus.org/

I2C 在Linux設備中的拓撲結(jié)構(gòu)

在PC體系中，大體如下拓撲：

PC體系中通過橋接芯片，擴展出PCI,在由PCI擴展出I2C適配器，進而得到I2C總線，或者橋接芯片直接擴展出SMBUS/I2C總線。

在嵌入式應用中，則可能為：

嵌入式應用中，則可能更多的情況是處理器內(nèi)置了I2C/SMBUS總線控制器，直接可得到I2C/SMBUS總線。嵌入式系統(tǒng)中常常會設計很多傳感器掛載在I2C總線上，比如溫度檢測，壓力檢測等等，又或者諸如電容觸摸屏、電源管理IC等等。

代碼實現(xiàn)

I2C 的core實現(xiàn)位于./drivers/i2c/下，實現(xiàn)了I2C總線設備以及驅(qū)動（適配器）和設備驅(qū)動的注冊、注銷方法，I2C通信方法algorithm抽象，以及與具體硬件無關的代碼

I2C主控制器驅(qū)動位于 ./drivers/i2c/busses/，這里主要實現(xiàn)總線控制器，具體體現(xiàn)為i2c_adapter的實現(xiàn)。負責I2C適配器與從設備通信。I2C總線驅(qū)動由i2c_adapter和i2c_algorithm來抽象描述。

設備驅(qū)動則分散在./driver/下，這取決于具體的實現(xiàn)，種類繁多。

i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，這種方法只是封裝了主機（I2Cmaster，一般是SoC中內(nèi)置的I2C控制器）的I2C基本操作，并且向應用層提供相應的操作接口，應用層代碼需要自己去實現(xiàn)對slave的控制和操作，所以這種I2C驅(qū)動相當于提供給應用層可以訪問slave硬件設備的接口，本身并未對硬件做任何操作，應用需要實現(xiàn)對硬件的操作。這種模式也稱為應用驅(qū)動程序。

另一種I2C驅(qū)動是將所有的代碼都放在驅(qū)動層實現(xiàn)，直接向應用層提供最終結(jié)果。應用層甚至不需要知道這里面有I2C存在，譬如電容式觸摸屏驅(qū)動，直接向應用層提供/dev/input/event1的操作接口，應用層編程的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

?

I2C子系統(tǒng)的主要目的是，對I2C總線以及設備利用面向?qū)ο缶幊趟枷雽崿F(xiàn)統(tǒng)一建模，以高內(nèi)聚-低耦合的軟件工程思想，實現(xiàn)一個分層體系結(jié)構(gòu)，以便于內(nèi)核統(tǒng)一管理I2C設備，從而可以更容易的在linux下實現(xiàn)I2C設備以及高可移植。

主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其內(nèi)部有幾個關鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來梳理一下：

i2c_client, 用于抽象掛載在I2C總線上的從設備

i2c_driver,用于驅(qū)動掛載在I2C總線的從設備，也即從設備的設備驅(qū)動程序

i2c_adapter，用于抽象I2C的主設備

i2c_algorithm，抽象I2C總線操作接口

i2c_devinfo

該結(jié)構(gòu)體主要用于板級I2C信息管理

i2c_msg

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C報文，其內(nèi)容如下:

i2c_timings

主要用于抽象I2C電氣特性，對于支持設備樹的系統(tǒng)構(gòu)建而言，主要通過以下內(nèi)核接口函數(shù)，從設備樹解析電氣特性參數(shù)。

?

void?i2c_parse_fw_timings(struct?device?*dev,?struct?i2c_timings?*t,?bool?use_defaults)
{
?int?ret;

?memset(t,?0,?sizeof(*t));

?ret?=?device_property_read_u32(dev,?"clock-frequency",?&t->bus_freq_hz);
?if?(ret?&&?use_defaults)
??t->bus_freq_hz?=?100000;

?ret?=?device_property_read_u32(dev,?"i2c-scl-rising-time-ns",?&t->scl_rise_ns);
?if?(ret?&&?use_defaults)?{
??if?(t->bus_freq_hz?<=?100000)
???t->scl_rise_ns?=?1000;
??else?if?(t->bus_freq_hz?<=?400000)
???t->scl_rise_ns?=?300;
??else
???t->scl_rise_ns?=?120;
?}

?ret?=?device_property_read_u32(dev,?"i2c-scl-falling-time-ns",?&t->scl_fall_ns);
?if?(ret?&&?use_defaults)?{
??if?(t->bus_freq_hz?<=?400000)
???t->scl_fall_ns?=?300;
??else
???t->scl_fall_ns?=?120;
?}

?device_property_read_u32(dev,?"i2c-scl-internal-delay-ns",?&t->scl_int_delay_ns);

?ret?=?device_property_read_u32(dev,?"i2c-sda-falling-time-ns",?&t->sda_fall_ns);
?if?(ret?&&?use_defaults)
??t->sda_fall_ns?=?t->scl_fall_ns;

?device_property_read_u32(dev,?"i2c-sda-hold-time-ns",?&t->sda_hold_ns);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_parse_fw_timings);

?

i2c_device_identity

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C 設備的ID屬性，通過內(nèi)核接口函數(shù)i2c_get_device_id以獲取設備ID屬性。

總體框架

概述

Linux I2C編程接口支持總線交互的主端和從端。從高層級看由兩種驅(qū)動程序和兩種設備構(gòu)成：

適配器設備與適配器設備驅(qū)動對：I2C 適配器驅(qū)動程序用于抽象控制器硬件;它綁定到一個物理設備(可能是一個PCI設備(PC體系多一些)或platform_device(嵌入式應用居多))，并構(gòu)建i2c_adapter實體以呈現(xiàn)所管理的1個I2C總線段。

?

?

/*?ALI1535?device?address?register?bits?*/ #define?ALI1535_RD_ADDR??0x01?/*?Read/Write?Bit?in?Device?*/ ?????/*??Address?field??*/ ?????/*??->?Write?=?0??*/ ?????/*??->?Read??=?1??*/ #define?ALI1535_SMBIO_EN?0x04?/*?SMB?I/O?Space?enable??*/ /*PCI?設備驅(qū)動*/ static?struct?pci_driver?ali1535_driver; static?unsigned?long?ali1535_smba; static?unsigned?short?ali1535_offset;

pci-I2C 適配器設備。如在i2c-ali1535.c中：

platform_device。比如：i2c-s3c2410，如下：

?

????????static?const?struct?platform_device_id?s3c24xx_driver_ids[]?=?{
?{
??.name??=?"s3c2410-i2c",
??.driver_data?=?0,
?},?{
??.name??=?"s3c2440-i2c",
??.driver_data?=?QUIRK_S3C2440,
?},?{
??.name??=?"s3c2440-hdmiphy-i2c",
??.driver_data?=?QUIRK_S3C2440?|?QUIRK_HDMIPHY?|?QUIRK_NO_GPIO,
?},?{?},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(platform,?s3c24xx_driver_ids);

?

I2C從設備及設備驅(qū)動：每個I2C總線段上將有一個由結(jié)構(gòu)i2c_client表示的I2C設備。這些設備將被綁定到一個struct i2c_driver，遵循標準的Linux驅(qū)動程序模型。

架構(gòu)

圖片來源//www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/slave-interface.html

主端總線驅(qū)動職責：

適配器和算法驅(qū)動程序，見下面i2c_algorithm結(jié)構(gòu)體詳細描述

管理I2C總線交互

從端設備驅(qū)動職責：

i2c_client結(jié)構(gòu)體具有設備的I2C總線地址以及適配器的驅(qū)動程序指針

當用戶程序發(fā)出文件操作申請I2C事務時：

i2C_transfer (i2C-core.c) 調(diào)用 adap_algo_master_xfer，數(shù)據(jù)或消息以i2c_msg結(jié)構(gòu)體傳入。

適配器對硬件I / O地址進行讀/寫操作，實現(xiàn)底層的I2C讀寫設備操作。

從應用程序直到底層的大致交互流程如下：

總結(jié)一下

I2C總線子系統(tǒng)在Linux內(nèi)核中總線模型分為主/從兩端，主端主要有適配器以及適配器驅(qū)動負責管理總線，從端主要有從設備抽象以及設備驅(qū)動，實現(xiàn)具體的從設備應用。主端適配器以兩種形式存在于內(nèi)核代碼中，分為PCI橋接適配器或者platform_device形式。從總體理解I2C子系統(tǒng)的驅(qū)動模型，以及相應主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關系，將有助于開發(fā)調(diào)試驅(qū)動程序，快速定位問題。

　　審核編輯：湯梓紅