Linux I2C驱动完全分析（一）

博主按：其实老早就想写这个I2C的了，期间有各种各样的事情给耽误了。借着五一放假的时间把这个写出来，供同志们参考。以后会花一些时间深入研究下内核，虽然以前对内核也有所了解，但是还不系统。I2C的硬件结构并不复杂，一个适配器加几个设备而已。Linux下驱动的体系结构看着挺复杂，实际也是比较简单的。在本文中我还是使用实际的例子，结合硬件和软件两个方面来介绍。希望能给初学的同志们一些帮助，另外抛砖引玉，希望高手能给一些指点。话不多说，开整！~

 

本文用到的一些资源：

   1. Source Insight软件

   2. mini2440原理图。 下载地址http://wenku.baidu.com/view/0521ab8da0116c175f0e48fe.html

   3. S3C2440 datasheet

   4. AT24C08 datasheet

   5. Bq27200 datasheet

   6. kernel 2.6.31中的At24.c ，Bq27x00_battery.c和i2c-s3c2410.c

   7. mini2440的板文件mach-mini2440.c

   8. 参考资料：《linux设备驱动开发详解（第2版）》 by 宋宝华

 

本文的结构：

第一部分：At24C08驱动

   1. mini2440中at24c08的电气连接

   2. Linux中I2C驱动框架分析

   3. I2C总线驱动代码分析

   4. at24c08驱动代码分析

第二部分：Bq27200驱动

   1. Bq27200的典型应用电路

   2. 主要分析一下ba27x00的代码，对比at24c08来加深理解。

 

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第一部分

1. mini2440中at24c08的电气连接及其板文件

       如下图。

                                

24C08的I2C接口是与2440的IICSCL/IICSDA直接相连的。在2440内部集成了一个I2C控制器，可以通过寄存器来控制它。先来和这四个寄存器混个脸熟吧，后面分析时还会经常用到这四个寄存器。

   

 在mini2440的板文件中可以找到关于at24c08的内容，如下：

/*
 * I2C devices
 */
static struct at24_platform_data at24c08 = {
    .byte_len   = SZ_8K / 8,
    .page_size  = 16,
};

static struct i2c_board_info mini2440_i2c_devs[] __initdata = {
    {
        I2C_BOARD_INFO("24c08", 0x50),
        .platform_data = &at24c08,
    },
};

static void __init mini2440_init(void)
{
   ... ...
   i2c_register_board_info(0, mini2440_i2c_devs,
                ARRAY_SIZE(mini2440_i2c_devs));
   ... ...
}

可以看出，在mini2440的init函数中注册了一个i2c的设备，这个设备我们使用了一个结构体i2c_board_info来描述。这个结构体定义在i2c.h文件中。如下：

struct i2c_board_info {
    char        type[I2C_NAME_SIZE];
    unsigned short  flags;
    unsigned short  addr;
    void        *platform_data;
    struct dev_archdata *archdata;
    int     irq;
};

其中的platform_data又指向一个at24_platform_data结构体。

 

以上只是at24c08的部分，在板文件中还可以看到关于2440内部i2c控制器的部分，如下：

static struct platform_device *mini2440_devices[] __initdata = {
 ... ...
 &s3c_device_i2c0,
 ... ...
};

static void __init mini2440_init(void)
{
 ... ...
 platform_add_devices(mini2440_devices, ARRAY_SIZE(mini2440_devices));
 ... ...
}

其中s2c_device_i2c0定义在arch/arm/plat-s3c/Dev-i2c0.c中（在同一目录下还可以看到很多Dev-开头的c文件，都是2440内部集成的各种设备），仔细看下面的代码再对比2440的datasheet就可以很清楚的知道：

   * 控制器的IO起始地址为S3C_PA_IIC =0x54000000，大小是4K，中断号是43 = IRQ_IIC      S3C2410_IRQ(27)

   * 控制器名是"s3c2410-i2c"

static struct resource s3c_i2c_resource[] = {
    [0] = {
        .start = S3C_PA_IIC,
        .end   = S3C_PA_IIC + SZ_4K - 1,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
    },
    [1] = {
        .start = IRQ_IIC,
        .end   = IRQ_IIC,
        .flags = IORESOURCE_IRQ,
    },
};

struct platform_device s3c_device_i2c0 = {
    .name         = "s3c2410-i2c",
#ifdef CONFIG_S3C_DEV_I2C1
    .id       = 0,
#else
    .id       = -1,
#endif
    .num_resources    = ARRAY_SIZE(s3c_i2c_resource),
    .resource     = s3c_i2c_resource,
};

   

2. Linux中I2C驱动框架分析

    这部分是本文的重点部分。根据上面的电气连接关系我们可以看出，我们要想操作24c08，必须要做两方面的驱动。

       第一方面： 2440中I2C控制器的驱动，有了这部分驱动，我们才可以操作控制器来产生I2C的时序信号，来发送数据和接收数据。

       第二方面： 24C08的驱动，有了这部分驱动，才能使用控制器正确操作芯片，来读取和存放数据。

    在Linux系统中，对上边第一方面的实现叫做I2C总线驱动，对第二方面的实现叫做I2C设备驱动。一般来说，如果CPU中集成了I2C控制器并且Linux内核支持这个CPU，那么总线驱动方面就不用我们操心了，内核已经做好了。但如果CPU中没有I2C控制器，而是外接的话，那么就要我们自己实现总线驱动了。对于设备驱动来说，一般常用的驱动也都包含在内核中了，如果我们用了一个内核中没有的芯片，那么就要自己来写了。

    Linux中I2C体系结构如下图所示（图片来源于网络）。图中用分割线分成了三个层次：用户空间（也就是应用程序），内核（也就是驱动部分）和硬件（也就是实际物理设备，这里就是2440中的i2c控制器和at24c08）。这个够清晰了吧？我们现在就是要研究中间那一层。

   

 由上图我们还可以看出哪些信息呢？

  1). 可以看到几个重要的组成部分，它们是：Driver，Client，i2c-dev，i2c-core，Algorithm，Adapter。这几个部分在内核中都有相应的数据结构，定义在i2c.h文件中，尽量避免粘贴打断代码来凑数，就不贴出来了。简要概括一下每个结构体的意义。

       Driver --> struct i2c_driver 

          这个结构体对应了驱动方法，重要成员函数有probe，remove，suspend，resume。

          还包括一个重要的数据结构: struct i2c_device_id *id_table; 如果驱动可以支持好几个设备，那么这里面就要包含这些设备的ID

 

       Client --> struct i2c_client

          应用程序是选择性失明的，它只能看到抽象的设备文件，其他部分都是看不见的。图中只有Client与应用程序有联系，所以我们可以大胆得出结论：这个Client是对应于真实的物理设备，在本文就是at24c08。 所以很显然这个结构体中的内容应该是描述设备的。包含了芯片地址，设备名称，设备使用的中断号，设备所依附的控制器，设备所依附的驱动等内容。

 

       Algorithm -->struct i2c_algorithm

          Algorithm就是算法的意思。在这个结构体中定义了一套控制器使用的通信方法。其中关键函数是master_xfer()。我们实际工作中的重要一点就是要实现这个函数。

int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

 

       Adapter --> struct i2c_adapter

           这个结构体对应一个控制器。其中包含了控制器名称，algorithm数据，控制器设备等。

 

 2). 可以看出，i2c-core起到了关键的承上启下的作用。事实上也是这样，我们将从这里展开来分析。源代码位于drivers/i2c/i2c-core.c中。在这个文件中可以看到几个重要的函数。

   *增加/删除i2c控制器的函数

 

int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap)

  

   *增加/删除设备驱动的函数

int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)

 

    *增加/删除i2c设备的函数

struct i2c_client *
i2c_new_device(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_board_info const *info);
void i2c_unregister_device(struct i2c_client *client)

注：在2.6.30版本之前使用的是i2c_attach_client()和i2c_detach_client()函数。之后attach被merge到了i2c_new_device中，而detach直接被unresister取代。实际上这两个函数内部都是调用了device_register()和device_unregister()。源码如下：

    *I2C传输、发送和接收函数

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

int i2c_master_send(struct i2c_client *client,const char *buf ,int count);

int i2c_master_recv(struct i2c_client *client, char *buf ,int count);

 其中send和receive分别都调用了transfer函数，而transfer也不是直接和硬件交互，而是调用algorithm中的master_xfer()函数，所以我们要想进行数据传输，必须自己来实现这个master_xfer()函数，这是总线驱动开发的重点之一。下面以read()系统调用的流程来简单梳理一下：

 

（待续）