底层之旅 —— Linux下的I2c体系结构

底层之旅 —— Linux下的I2c体系结构

最近在搞电容式触摸屏驱动，用I2C总线接口来传输数据，所以趁机复习一下I2C总线原理。

        I2C总线是Philips公司推出的芯片间品德传输总线，它采用两线制，由串行时钟线SCL和串行数据线SDA构成。在电路设计方面，由于I2C总线接口为开漏或开集电极输出，需要加上上拉电阻。

        I2C总线通信方式：

        （1）I2C采用主/从方式进行双向通信。

        （2）I2C总线的时钟线SCL和数据线SDA都是双向传输线。

        （3）在标准I2C模式下，数据传输速率可达100Kbps、400Kbps，在高速(HS)模式下可达3.4Mbit/s。

        （4）在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA出现由高电平向低电平变化时为起始信号S，启动I2C工作。若在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上出现由低到高的电平变化时为停止信号P，终止I2C总线的数据传送。

        （5）I2C总线传送的格式为：开始位以后，主设备送出8位控制字节，以选择从设备并控制总线传送的方向，其后传送数据。

         

        Linux的I2C体系结构分为3个部分：

        （1）I2C核心   

        文件路径：linux / driver / i2c / i2c-core.c 这个文件实现了I2C核心的功能以及 /proc/bus/i2c-xxx 接口。

        （2）I2C总线驱动

        文件路径：linux / driver / i2c / busses / i2c-xxx.c  这个文件包含了各种arm处理器的I2C总线驱动。I2C总线驱动主要包含了I2C适配器数据结构i2c_adapter、I2C适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制I2C适配器产生通信信号的函数。

        （3）I2C设备驱动

        I2C设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver 和 i2c_client 我们需要根据具体设备实现其中的成员函数。

        

        I2C总线驱动中重要的四个数据结构。

        i2c适配器结构体：

        i2c_adapter对应于物理上的一个适配器。

        /*  i2c_adapter is the structure used to identify a physical i2c bus along with the access algorithms necessary to access it. */
        struct i2c_adapter {

struct module *owner;

unsigned int id;

unsigned int class;  /* classes to allow probing for */

const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */

void *algo_data;

/* data fields that are valid for all devices*/

u8 level; /* nesting level for lockdep */

struct mutex bus_lock;

int timeout;/* in jiffies */

int retries;

struct device dev;/* the adapter device */

int nr;

char name[48];

struct completion dev_released;

};

        I2C通信方法结构体：

        i2c_algorithm对应于一套通信方法。i2c——algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生I2C访问周期需要的信号。

        struct i2c_algorithm {
/* If an adapter algorithm can't do I2C-level access, set master_xfer
   to NULL. If an adapter algorithm can do SMBus access, set
   smbus_xfer. If set to NULL, the SMBus protocol is simulated
   using common I2C messages */
/* master_xfer should return the number of messages successfully
   processed, or a negative value on error */
int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,
   int num);
int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,
   unsigned short flags, char read_write,
   u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);


/* To determine what the adapter supports */
u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);
};

        I2C设备驱动结构体：

        i2c_driver对应一套驱动方法。

        /* The i2c_client structure which is handed to the @detect callback is
 * not a real i2c_client. It is initialized just enough so that you can
 * call i2c_smbus_read_byte_data and friends on it. Don't do anything
 * else with it. In particular, calling dev_dbg and friends on it is
 * not allowed.
 */
struct i2c_driver {
int id;
unsigned int class;

/* Notifies the driver that a new bus has appeared or is about to be
 * removed. You should avoid using this if you can, it will probably
 * be removed in a near future.
 */
int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);
int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *);


/* Standard driver model interfaces */
int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);
int (*remove)(struct i2c_client *);


/* driver model interfaces that don't relate to enumeration  */
void (*shutdown)(struct i2c_client *);
int (*suspend)(struct i2c_client *, pm_message_t mesg);
int (*resume)(struct i2c_client *);


/* a ioctl like command that can be used to perform specific functions
 * with the device.
 */
int (*command)(struct i2c_client *client, unsigned int cmd, void *arg);


struct device_driver driver;
const struct i2c_device_id *id_table;


/* Device detection callback for automatic device creation */
int (*detect)(struct i2c_client *, int kind, struct i2c_board_info *);
const struct i2c_client_address_data *address_data;
struct list_head clients;
};

        I2C客户端结构体：

         i2c_client对应于真实的物理设备，每个I2C设备都需要一个i2c_client来描述。

        struct i2c_client {
unsigned short flags;/* div., see below*/
unsigned short addr;/* chip address - NOTE: 7bit*/
/* addresses are stored in the*/
/* _LOWER_ 7 bits*/
char name[I2C_NAME_SIZE];
struct i2c_adapter *adapter;/* the adapter we sit on*/
struct i2c_driver *driver;/* and our access routines*/
struct device dev;/* the device structure*/
int irq; /* irq issued by device*/
struct list_head detected;
};

        这四个数据结构之间又有密切联系。一个I2C适配器需要i2c_algorithm中提供的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中包含其使用的 i2c_algorithm的指针。i2c_driver与i2c_client的关系是一对多，一个i2c_driver上可以支持多个同类型的i2c_client。