基于Linux驅動的I2C總線的深度分析

1、 I2C總線的硬件特性:兩線式串行總線.用于連接CPU和外設之間的通信接口需要2根信號線,時鐘控制線SCL和數(shù)據(jù)傳輸信號線SDA.串行:CPU和外設之間傳輸是一個周期傳輸一個BIT位, 如果需要寫入0X55,需要兩個時鐘周期才能完成.CPU又稱master,外設又稱slave。

“一個時鐘周期傳輸一個bit”:CPU和外設之間傳輸一個bit位,必須要通過時鐘控制信號來實現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)收和發(fā)!比如CPU在時鐘高電平像數(shù)據(jù)線寫入數(shù)據(jù),設備在同一個周期低電平從數(shù)據(jù)線上接收數(shù)據(jù)。

“總線”:兩根信號線上可以掛接很多外設,也可以掛接很多CPU.一般來說總線上只有一個CPU,如果有多個CPU,I2C總線具有仲裁機制來實現(xiàn)同步訪問。

SCL和SDA分別會接上一個上拉電阻,這兩根信號線的默認狀態(tài)為高電平狀態(tài)!一般如果CU或者外設配置GPIO為輸出口,就等于CPU或者外設控制了GPIO獲取控制權;如果配置成輸入口,就等于釋放控制權。

2、問:CPU如何通過兩根線找到需要訪問的具體設備?CPU如果找到某個具有的外設,那么CPU和外設是如何通過兩根信號新完成數(shù)據(jù)交互? SDA和SCL如何搭配的?

以上答案在I2C總線協(xié)議中(芯片手冊)

3、總線協(xié)議相關內容：

（1） START信號，起始信號：CPU如果要訪問總線，必須CU首先向總線上發(fā)送一個START起始信號；此信號由CPU發(fā)起；SCL為高電平。SDL由高電平向低電平跳變，產(chǎn)生START信號‘

（2） 停止信號，結束信號：CPU結束訪問總線，需要向總線發(fā)送一個STOP信號；此信號由CPU發(fā)起；SCL為高電平，SDA由低電平向高電平跳變，產(chǎn)生STOP信號；

（3） 設備地址：用于標識外設在I2C總線上的唯一性！同一個I2C總線上外設，每一個外設都有唯一的設備地址；如果CPU要訪問某個外設，CPU只需要在總線上發(fā)送某個外設的設備地址即可，發(fā)送完畢，如果外設存在于總線上，外設會給CPU一個反饋信號，就可以進行后續(xù)的數(shù)據(jù)訪問；

外設的設備地址的確定：一般有芯片廠家和原理圖共同決定，以三個外設為例，電可檫除存儲器AT24C02、溫度傳感器LM77，背光燈控制芯片ADP8860。

AT24C02，EEPROM的設備地址：1010A2A1A0R/W：1010：高4bit，芯片廠家定義；A2A1A0：原理圖上都接GNDèA2A1A01=000 R=1，表示CPU讀取外設，W=0，表示CPU寫外設。

WP:寫保護

通過以上信息，得到讀設備地址:10100001=>0Xa1 寫設備地址：10100000=>0Xa0 設備地址（7位，不算讀寫位，地址右移1位，高位補0）=》最終設備地址=01010000=》0X50

ADP8860背光燈控制芯片設備地址0101010X:讀設備地址:01010101=>0X55 寫設備地址:01010100=>0X54

設備地址：00101010=>0X2A

LM77設備地址100100A1AA1：如果A1A0都接地：A1A0=00 讀設備地址：10010001=>0X91 寫設備地址：10010000=>0X90 設備地址：01001000=>0X48。

（4）ACK信號：反饋應答信號。如果CPU發(fā)送完設備地址，，并且外設進行響應，此時給CPU發(fā)送一個ACK應答信號，告訴CPU，外設存在于總線上；如果在數(shù)據(jù)讀寫過程中，也可以通過ACK信號指示數(shù)據(jù)的讀寫過程是否正常！有效的ACK信號為低電平（數(shù)據(jù)線），無效的ACK信號為高電平！

4.CPU與外設的數(shù)據(jù)交互：I2C的數(shù)據(jù)傳輸，從高位開始發(fā)送，一次傳輸一個字節(jié)！

1.LM77溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸

（1）CPU發(fā)送START信號；（2）COU發(fā)送設備地址 3.CPU發(fā)送讀寫位4.設備如果正常存在總線上，設備給CPU發(fā)送一個ACK信號 5.根據(jù)芯片手冊進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，其中涉及到ACK信號，這個ACK與4步驟ACK信號意義不太一樣！6.CPU發(fā)送STOP信號，結束此次數(shù)據(jù)交互。

2.ADP8860背光燈芯片：芯片內部有一組寄存器，但是這些寄存器CPU不能像訪問GPIO一樣直接去訪問寄存器地址，原因ADP8860并沒有直接連接到CPU的4G地址空間中，需要間接的利用I2C總線訪問芯片內部的寄存器地址；例如把數(shù)據(jù)0XAA寫入芯片內部寄存器0X34這個地址。

（1）CPU發(fā)送START信號 （2）CPU發(fā)送設備地址

3.CPU發(fā)送讀寫位，如果是寫，這個bit為0

4.ADP8860如果正常存在于總線上，設備返回一個ACK信號給CPU，低電平有效。

5.CPU發(fā)送訪問的寄存器以后，設備給CPU發(fā)送一個ACK信號，告訴CPU可以繼續(xù)訪問；

7.CPU發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)0XAA；

8.設備將數(shù)據(jù)0XAA寫入到內部寄存器0X34，然后設備給CPU一個ACK信號，告訴CPU寫入成功；

9.CPU發(fā)送STOP信號，結束此次的寄存器寫入操作

3.電可檫除存儲器EEPROM（at24c02）訪問過程：

AT24C01的容量為256字節(jié)，地址編址：0—255MSN:高位LSB:低位。

將數(shù)據(jù)0XAA 寫入到內部儲存地址0X55，CPU要訪問的內部地址的操作過程和ADP8860相似！

（1）CPU發(fā)送START信號 （2）CPU發(fā)送設備地址 （3）CPU發(fā)送寫：0 （4）設備存在總線上，那么設備給CPU發(fā)送一個ACK應答信號，告訴CPU，我在總線上！ （4）CPU發(fā)送要操作的地址：0X55 （5）設備接收到這個要操作的地址，設備給CPU發(fā)送一個ACK信號，告訴CPU，可以訪問這個地址！（6）CPU發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)0XAA （7）設備接收這個要寫入的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入到對應的地址0X55中，設備給CPU發(fā)送一個ACK信號，告訴CPU寫入數(shù)據(jù)成功! （8）CPU發(fā)送一個STOP信號，停止數(shù)據(jù)的此次訪問。

隨機讀：就是讀任何一個地址里的數(shù)據(jù)即可，例如讀取0X55地址空間中的數(shù)據(jù)信息。

SDA和SCL如何搭配使用？ 如果CPU或者設備向數(shù)據(jù)線上寫入數(shù)據(jù)，應該在SCL為低電平寫入數(shù)據(jù)；如果CPU或者設備從數(shù)據(jù)線上獲取數(shù)據(jù)，應該在同周期的高電平去讀數(shù)據(jù)！

I2C外設的具體如何操作，關鍵看芯片手冊即可！

4.AT24C02的硬件特性：EEPROM,電可檫除存儲器； 容量：2K ，256字節(jié) 傳輸速度：100khz’，400KHZ

寫周期：5ms 分頁：1頁為8字節(jié)，如果按頁寫，最多一次只能寫8字節(jié)，如果寫9字節(jié)，第9字節(jié)數(shù)據(jù)會把第一字節(jié)的數(shù)據(jù)進行覆蓋； 地址編碼：0—255 設備地址：0X50

5.案例:存儲軟件和硬件版本號到EEPROM中：軟件版本號：SYYMMDDXY->S14101700 硬件版本號：HYYMMDDXY->H14101700EEROM存儲器地址規(guī)劃:軟件版本號的地址范圍:0X0—0X9硬件版本哈的地址范圍：0X10—0X19

驅動設計：1.采用GPIO模擬I2C時序來實現(xiàn)I2C總線硬件操作！2.采用操作I2C控制器來實現(xiàn)I2C總線硬件操作！ 3.采用linux內核I2C驅動框架來實現(xiàn)I2C硬件操作

5.1 Linux內核的I2C驅動框架：

App：open，read，write，ioctl

Eeprom.ADDR = 0;設備地址 Eeprom.data = ‘s’;//數(shù)據(jù)

Ioctl(fd,I2C_WRITE_CMD,&eeprom)

I2C設備驅動：eeprom_ioctl, eeprom_read,………;

1.只關注硬件外設； 2.只關注硬件外設操作的數(shù)據(jù)信息； 設備地址、設備片內地址 設備的數(shù)據(jù)

2.I2C設備驅動利用內核提供的相關操作方法，將以上數(shù)據(jù)信息發(fā)送給I2C的總線驅動，由I2C總線驅動來實現(xiàn)硬件上面的數(shù)據(jù)傳輸！

內核提供的操作接口：1.i2c_transfer();//老式接口 SMBUS接口；//新式接口，兼容老式接口

作用：上一層的I2C設備驅動利用這些接口函數(shù)，將I2C設備驅動要訪問的數(shù)據(jù)信息（設備地址、片內地址、數(shù)據(jù)）丟給I2C總線驅動來實現(xiàn)硬件的總線傳輸！

I2C總線驅動：1.管理的設備對象僅僅I2C控制器 I2C硬件控制器集成在CPU的內容，訪問I2C控制器就通過寄存器來進行，類似串口控制器，nandflash控制器，由硬件幫你發(fā)時序！

3.I2C總線驅動啟動硬件的時序，然后根據(jù)I2C設備驅動發(fā)來的數(shù)據(jù)信息（設備地址、片內地址、數(shù)據(jù)）最終完成I2C的硬件傳輸。

利用I2C實現(xiàn)I2C外設的驅動重點涉及兩個驅動：I2C總線驅動和I2C設備驅動。

1.I2C總線驅動：管理的對象是I2C控制器，只負責硬件的傳輸數(shù)據(jù)，這個驅動一般都是芯片公司在提供的linux內核源碼中，只需配置內核添加I2C總線驅動即可：

DEVICE DRIVERàI2C SupportàI2C hardware bus support-><*>s3c2410 i2c drivers

I2C總線驅動：drivers/i2c/buses/i2c-s3c.c

2.i2C設備驅動：實際開發(fā)只需關注I2C外設的驅動，就是I2C設備驅動，只需關注外設的操作的數(shù)據(jù)信息（設備地址、片內地址、數(shù)據(jù)）

5.2利用I2C驅動框架實現(xiàn)I2C設備驅動。

I2C設備驅動實現(xiàn)利用了內核分離的思想，采用虛擬總線的形式來管理I2C設備驅動，具體如下：

（1）首先linux內核已經(jīng)幫你定義好了一個I2C的虛擬總線（i2c_bus_type），在這個總線上維護者兩個鏈表：dev鏈表和drv鏈表

（2）dev鏈表存放硬件信息，每一個節(jié)點的對應的數(shù)據(jù)類型是struct i2c_client,用這個結構體來裝載硬件信息。每當向內核添加一個硬件節(jié)點時，內核幫你遍歷drv鏈表，取出drv鏈表每一個軟件節(jié)點，根據(jù)硬件節(jié)點的name和軟件節(jié)點的id_table中的name進行匹配，如果匹配成功，說明硬件找到了軟件，然后調用軟件節(jié)點的probe函數(shù)，然后將匹配成功的硬件節(jié)點的首地址傳遞給probe函數(shù)，供probe函數(shù)獲取硬件信息；

（3）drv鏈表存放軟件信息，每一個節(jié)點的對應的數(shù)據(jù)類型是struct_i2c_driver，用這個結構體來裝載軟件信息（fops）。每當向內核添加一個軟件節(jié)點時，內核會幫你遍歷dev鏈表，取出dev鏈表每一個硬件節(jié)點，根據(jù)硬件節(jié)點的name和軟件節(jié)點的id_table中的name進行匹配，如果匹配成功，說明軟件找到了硬件，然后調用軟件節(jié)點的probe函數(shù)，然后將匹配成功的硬件節(jié)點首地址傳遞給probe函數(shù)，供probe函數(shù)獲取硬件信息；

（4）i2c硬件的信息：關鍵是i2c設備地址，因為I2C設備地址有可能由原理圖決定。

總結；實現(xiàn)一個I2C設備驅動關鍵圍繞著i2c_client和i2c_driver。

[c]view plaincopy

structi2c_client{

unsignedshortflags;/*div.,seebelow讀寫標志*/

unsignedshortaddr;/*chipaddress-NOTE:7bit設備地址7bit*//*addressesare

charname[I2C_NAME_SIZE];//用于匹配

structi2c_adapter*adapter;/*theadapterwesiton適配器，4個總線*/

structi2c_driver*driver;/*andouraccessroutines軟件節(jié)點*/

structdevicedev;/*thedevicestructureplatform_data來存自己定義的硬件信息*/

intirq;/*irqissuedbydevice中斷號*/

structlist_headdetected;//鏈表

這個結構體不會像platform_device顯示的需要自己去分配，初始化和注冊，這個工作linux內核已經(jīng)幫你實現(xiàn)，甚至注冊的時候進行匹配，都是linux內核來幫你實現(xiàn)！

問：如果linux內核幫你實現(xiàn)分配初始化i2c_client，內核如何知道我要的操作的設備地址，自己的私有硬件信息？ Linux內核提供了另外一個結構體struct i2c_board_info，程序員根據(jù)這個結構體來進行對I2C外設的硬件分配初始化和注冊，內核會根據(jù)i2c_board_info的信息來實現(xiàn)對i2c_client的一系列操作。

問：驅動如何使用i2c_board_info呢？

Struct i2c_board_info{

Char type[I2C_NAME_SIZE];//用于匹配，最終會賦值給i2c_client的name

Unsigned short flags; //讀寫標志

Unsigned short addrd; //設備地址。最終賦值給i2c_client的addr

Void *platform_data; //裝載自己定義的硬件信息，最終賦值給i2c_client的dev.platform_data

Int irq; //中斷號，最終賦值給i2c_client的irq

}

明確：struct i2c_board_info的分配，初始化和注冊三個步驟必須在平臺代碼中完成，不能以模塊加載的形式來實現(xiàn)！ 對struct i2c_board_info的操作本質就是間接的在操作i2c_client。

實現(xiàn)在平臺代碼中初始化分配i2c_board_info

1. Vimarch/arm/mach-s5pv210/mach-cw21.c 在頭文件的后面添加分配i2c_board_info的分配初始化。

Static structi2c_board_info eeprom[] = {I2C_BOARD_INFO(“at24c02”,0x50)};

說明：I2C_BOARD_INFO:用于初始化i2c_board_info的type和addrat24c02：用于匹配，跟i2c_driver的id_table的name匹配，最終會賦值給i2c_client的name。

0x50:設備地址，最終會賦值給i2c_client.addr。

2.同樣在平臺代碼的初始化函數(shù)中(.init_machine =smdkc110_machine_init),所在函數(shù)smdkc110_machine_init中調用I2c_register_board_info注冊i2c_board_info信息到內核中！i2c_regster_board_info(int busnum, struct i2c_board_info const*info, unsigned n)

函數(shù)功能：注冊分配初始化好的i2c_board_info對象到內核中，內核根據(jù)這個信息初始化注冊i2c_client;

參數(shù)：busnum：i2c外設所在的I2C總線編號，cw210開發(fā)板的at’24c02通過原理圖可知連接到CPU的第一個I2C總線上，所以這個參數(shù)指定為0，info:執(zhí)行分配初始化的i2_board_info對象數(shù)組（=eeprom）

N：對象數(shù)組的個數(shù)RRAY_SIZE(eeprom）

注意：一旦向內核注冊I2c_board_info設備信息，內核在初始化時會根據(jù)此信息幫你分配初始化和注冊一個i2c_client.

2177i2c_register_board_info(0, i2c-devs0, ARRAY_SIZE(i2c_devs0));

2178i2c_register_board_info(1, i2c-devs1, ARRAY_SIZE(i2c_devs1));

2179i2c_register_board_info(2, i2c-devs2, ARRAY_SIZE(i2c_devs2));

2180i2c_register_board_info(5, i2c-devs3, ARRAY_SIZE(i2c_devs5));

2181 //注冊atc24c02的硬件對象i2c_board_info

2182i2c_register_board_info(0, eeprom, ARRAY_SIZE(eeprom));

Struct i2c_driver怎樣使用？

1.分配初始化struct i2c_driver

Struct i2c_driver eeprom_drv = {

.driver = {

.name= “tarena”//不重要

},

.probe = at24c02_probe, //匹配成功調用

.remove = at24c02, //卸載軟件節(jié)點調用

.id_table = 其中的name用于匹配

}

2.調用i2c_add_driver注冊 3.調用i2c_del_driver卸載。

案例：SMBUS接口作用：I2C設備驅動利用SMBUS相關的函數(shù)，能夠將I2C設備驅動涉及的數(shù)據(jù)信息丟給I2C總線驅動，然后I2C硬件傳輸！本質上就是I2C設備驅動和I2C總線驅動的一個數(shù)據(jù)交互的橋梁！

SMBUS接口說明文檔：內核源碼\Documentation\i2c\smbus-protocol找到對應的SMBUS接口函數(shù)。

SMBUS接口函數(shù)的使用。

1.找到打開smbus-protol說明文檔 2.打開芯片的時序圖 3.根據(jù)時序圖在smbus-protol文檔中找到對應的操作函數(shù) 4.想盡一切辦法看這個函數(shù)的說明或者參考別人的代碼。

//寫數(shù)據(jù)到EEPROM中

// addr,data

App:ioctl---àaddr,data

I2C設備驅動：at24c02_i2c_write---à設備地址，addr，data

內核：SMBUS--à設備地址，addr,data

總線驅動--àSTART> 設備地址寫ACK addr ACK data ACK STOP

1.使用SMBUS接口將數(shù)據(jù)（地址、數(shù)據(jù)、設備地址（G_CLIENT->addr））,丟給I2C總線驅動，啟動I2C總線驅動的硬件傳輸。

1.1 打開SMUBS文檔：內核源碼\Documentation\i2c\smbus-protocol找到對應的SMBUS接口函數(shù)。

1.2打開芯片操作時序圖

1.3根據(jù)時序圖找到對應的SMBUS操作函數(shù)

1.4將ADDR，data和匹配成功的i2c_client通過函數(shù)丟給I2C總線驅動然后啟動I2C總線的硬件傳輸

i2c_smbus_write_byte_data(g_client, addr, data);

從EEPROM讀取數(shù)據(jù)

// addr

// app:ioctlà data

I2C設備驅動：at24c02_i2c_readà data 設備地組織：addr

內核：SMBUE—》data設備地址，addr

總線驅動-àSTART設備地址寫ACK addr ACK START 設備地址 讀ACK返回數(shù)據(jù)data

NOACK STOP -àdata