IIC设备驱动程序.docx

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IIC设备驱动程序

IIC设备驱动程序

IIC设备是一种通过IIC总线连接的设备，由于其简单性，被广泛引用于电子系统中。

在现代电子系统中，有很多的IIC设备需要进行相互之间通信

IIC总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微处理器和外部IIC设备。

IIC设备产生于20世纪80年代，最初专用与音频和视频设备，现在在各种电子设备中都广泛应用

IIC总线有两条总线线路，一条是串行数据线（SDA），一条是串行时钟线（SCL）。

SDA负责数据传输，SCL负责数据传输的时钟同步。

IIC设备通过这两条总线连接到处理器的IIC总线控制器上。

一种典型的设备连接如图：

与其他总线相比，IIC总线有很多重要的特点。

在选择一种设备来完成特定功能时，这些特点是选择IIC设备的重要依据。

主要特点：

1，每一个连接到总线的设备都可以通过唯一的设备地址单独访问

2，串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可达到100kb/s;快速模式下可以达到400kb/s;告诉模式下可以达到3.4Mb/s

3，总线长度最长7.6m左右

4，片上滤波器可以增加抗干扰能力，保证数据的完成传输

5，连接到一条IIC总线上的设备数量只受到最大电容400pF的限制

6，它是一个多主机系统，在一条总线上可以同时有多个主机存在，通过冲突检测方式和延时等待防止数据不被破坏。

同一时间只能有一个主机占用总线

IIC总线在传输数据的过程中有3种类型的信号：

开始信号、结束信号、和应答信号

>>开始信号（S）:

当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示将要开始传输数据

>>结束信号（P）:

当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示结束传输数据

>>响应信号（ACK）:

从机接收到8位数据后，在第9个周期，拉低SDA电平，表示已经收到数据。

这个信号称为应答信号

开始信号和结束信号的波形如下图：

主机：

IIC总线中发送命令的设备，对于ARM处理器来说，主机就是IIC控制器

从机：

接受命令的设备

主机向从机发送数据：

主机通过数据线SDA向从机发送数据。

当总线空闲时，SDA和SCL信号都处于高电平。

主机向从机发送数据的过程：

1，当主机检测到总线空闲时，主机发出开始信号

2，主机发送8位数据。

这8位数据的前7位表示从机地址，第8位表示数据的传输方向。

这时，第8位为0，表示向从机发送数据

3，被选中的从机发出响应信号ACK

4，从机传输一系列的字节和响应位

5，主机接受这些数据，并发出结束信号P，完成本次数据传输

由上图可知，IIC控制器主要是由4个寄存器来完成所有的IIC操作的。

IICCON：

控制是否发出ACK信号，是否开启IIC中断

IICSTAT：

IICADD：

挂载到总线上的从机地址。

该寄存器的[7:

1]表示从机地址。

IICADD寄存器在串行输出使能位IICSTAT[4]为0时，才可以写入；在任何时候可以读出

IICDS：

保存将要发送或者接收到的数据。

IICCDS在串行输出使能IICSTAT[4]为1时，才可以写入；在任何时间都可以读出

因为IIC设备种类太多，如果每一个IIC设备写一个驱动程序，那么显得内核非常大。

不符合软件工程代码复用，所以对其层次话：

这里简单的将IIC设备驱动分为设备层、总线层。

理解这两个层次的重点是理解4个数据结构，这4个数据结构是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapter。

i2c_driver、i2c_client属于设备层；i2c_algorithm、i2c_adapter属于总线型。

如下图：

设备层关系到实际的IIC设备，如芯片AT24C08就是一个IIC设备。

总线层包括CPU中的IIC总线控制器和控制总线通信的方法。

值得注意的是：

一个系统中可能有很多个总线层，也就是包含多个总线控制器；也可能有多个设备层，包含不同的IIC设备

由IIC总线规范可知，IIC总线由两条物理线路组成，这两条物理线路是SDA和SCL。

只要连接到SDA和SCL总线上的设备都可以叫做IIC设备。

一个IIC设备由i2c_client数据结构进行描述：

struct i2c_client

{

　　unsignedshort flags;                       　　　　　　//标志位

     unsignedshort addr;　　　　　　　　　　　　　　 //设备的地址，低7位为芯片地址

　　charname[I2C_NAME_SIZE];　　　　　　　　　　  //设备的名称，最大为20个字节

　　struct i2c_adapter*adapter;　　　　　　　　　　　//依附的适配器i2c_adapter，适配器指明所属的总线

　　struct i2c_driver*driver;　　　　　　　　　　　　　//指向设备对应的驱动程序

　　structdevice dev;　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备结构体

　　intirq;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备申请的中断号

　　structlist_head list;　　　　　　　　　　　　　　　　//连接到总线上的所有设备

　　structlist_head　　detected;　　　　　　　　　　　//已经被发现的设备链表

　　structcompletion　　released;　　　　　　　　　　　//是否已经释放的完成量

};

设备结构体i2c_client中addr的低8位表示设备地址。

设备地址由读写位、器件类型和自定义地址组成，如下图：

第7位是R/W位，0表示写，2表示读，所以I2C设备通常有两个地址，即读地址和写地址

类型器件由中间4位组成，这是由半导体公司生产的时候就已经固化了。

自定义类型由低3位组成。

由用户自己设置，通常的做法如EEPROM这些器件是由外部I芯片的3个引脚所组合电平决定的（A0,A1,A2）。

A0,A1,A2就是自定义的地址码。

自定义的地址码只能表示8个地址，所以同一IIC总线上同一型号的芯片最多只能挂载8个。

AT24C08的自定义地址码如图：

A0,A1,A2接低电平，所以自定义地址码为0；

如果在两个不同IIC总线上挂接了两块类型和地址相同的芯片，那么这两块芯片的地址相同。

这显然是地址冲突，解决的办法是为总线适配器指定一个ID号，那么新的芯片地址就由总线适配器的ID和设备地址组成

除了地址之外，IIC设备还有一些重要的注意事项：

1，i2c_client数据结构是描述IIC设备的“模板”，驱动程序的设备结构中应包含该结构

2，adapter指向设备连接的总线适配器，系统可能有多个总线适配器。

内核中静态指针数组adapters记录所有已经注册的总线适配器设备

3，driver是指向设备驱动程序，这个驱动程序是在系统检测到设备存在时赋值的

IIC设备驱动    i2c_driver:

struct i2c_driver

{

　　intid;                        //驱动标识ID

　　unsignedintclass;              //驱动的类型

　　int（*attach_adapter）（structi2c_adapter*）;            //当检测到适配器时调用的函数

      int（*detach_adapter）（structi2c_adapter*）;             //卸载适配器时调用的函数

　　int（*detach_client）（structi2c_client*）  __deprecated;            //卸载设备时调用的函数

      //以下是一种新类型驱动需要的函数，这些函数支持IIC设备动态插入和拔出。

如果不想支持只实现上面3个。

要不实现上面3个。

要么实现下面5个。

不能同时定义

      int （*probe）（structi2c_client*,conststruct i2c_device_id*）;             //新类型设备探测函数

      int（*remove）（structi2c_client*）;                  //新类型设备的移除函数

      void（*shutdown）（structi2c_client*）;             //关闭IIC设备

       int（*suspend）（struct i2c_client*,pm_messge_tmesg）;          //挂起IIC设备

       int（*resume）（struct i2c_client*）;                              //恢复IIC设备

       int（*command）（structi2c_client*client,unsignedintcmd,void*arg）;       //使用命令使设备完成特殊的功能。

类似ioctl（）函数

       structdevcie_driver driver;                        //设备驱动结构体

        conststruct i2c_device_id*id_table;                      //设备ID表

         int（*detect）（structi2c_client*,int kind,struct i2c_board_info*）;         //自动探测设备的回调函数

        const structi2c_client_address_data         *address_data;                //设备所在的地址范围

        struct list_head   clients;                   //指向驱动支持的设备

};

结构体i2c_driver和i2c_client的关系较为简单，其中i2c_driver表示一个IIC设备驱动，i2c_client表示一个IIC设备。

关系如下图：

IIC总线适配器就是一个IIC总线控制器，在物理上连接若干个IIC设备。

IIC总线适配器本质上是一个物理设备，其主要功能是完成IIC总线控制器相关的数据通信：

structi2c_adapter

{

       structmodule*owner;                       //模块计数

       unsigned intid;                                 //alogorithm的类型，定义于i2c_id.h中

       unsigned  int class;                          //允许探测的驱动类型

       conststructi2c_algorithm*algo;        //指向适配器的驱动程序

       void*algo_data;                                 //指向适配器的私有数据，根据不同的情况使用方法不同

       int（*client_register）（struct i2c_client*）;         //设备client注册时调用

       int（*client_unregister（struct i2c_client*）;      //设备client注销时调用

       u8level;                                                         

       struct mutex bus_lock;                            //对总线进行操作时，将获得总线锁

       struct mutex clist_lock;                           //链表操作的互斥锁

       inttimeout;                                                 //超时

　　intretries;                                                    //重试次数

      structdevicedev;                                         //指向适配器的设备结构体

      int nr;                                                          

      struct list_head     clients;                           //连接总线上的设备的链表

       charname[48];                                             //适配器名称

       structcompletion    dev_released;              //用于同步的完成量

};

每一个适配器对应一个驱动程序，该驱动程序描述了适配器与设备之间的通信方法:

struct i2c_algorithm

{

        int （*master_xfer）（struct i2c_adapter*adap, struct i2c_msg*msg,intnum）;             //传输函数指针，指向实现IIC总线通信协议的函数，用来确定适配器支持那些传输类型

        int （*smbus_xfer）（struct i2c_adapter*adap,u16 addr,unsigned shortflags,char read_write,u8command,intsize,union i2c_smbus_data *data）;   //smbus方式传输函数指针，指向实现SMBus总线通信协议的函数。

SMBus和IIC之间可以通过软件方式兼容，所以这里提供了一个函数，但是一般都赋值为NULL

        u32 （*functionality）（struct i2c_adapter*）;                  //返回适配器支持的功能

};

IIC设备驱动程序大致可以分为设备层和总线层。

设备层包括一个重要的数据结构，i2c_client。

总线层包括两个重要的数据结构，分别是i2c_adapter和i2c_algorithm。

一个i2c_algorithm结构表示适配器对应的传输数据方法。

3个数据结构关系：

IIC设备层次结构较为简单，但是写IIC设备驱动程序却相当复杂。

IIC设备驱动程序的步骤：

IIC子系统：

IIC子系统是作为模块加载到系统中的。

初始化函数：

staticint__initi2c_init（void）

{

   intretval;           //返回值，成功0，错误返回负值

   retval=bus_register（&i2c_bus_type）;      //注册一条IIC的BUS总线

   if（retval）

      returnretval;

   retval=class_register（&i2c_adapter_class）;      //注册适配器类，用于实现sys文件系统的部分功能

   if（retval）

      gotobus_err;

   retval=i2c_add_driver（&dummy_driver）;              //将一个空驱动程序注册到IIC总线中

   if（retval）

      gotoclass_err;

   return0;

class_err:

   class_unregister（&i2c_adapter_class）;                               //类注销

bus_err:

   bus_unregister（&i2c_bus_type）;                                         //总线注销

   returnretval;

}

structbus_typei2c_bus_type={

   .name      ="i2c",

   .dev_attrs   =i2c_dev_attrs,

   .match      =i2c_device_match,

   .uevent      =i2c_device_uevent,

   .probe      =i2c_device_probe,

   .remove      =i2c_device_remove,

   .shutdown   =i2c_device_shutdown,

   .suspend   =i2c_device_suspend,

   .resume      =i2c_device_resume,

};

staticstructclassi2c_adapter_class={

   .owner         =THIS_MODULE,

   .name         ="i2c-adapter",

   .dev_attrs      =i2c_adapter_attrs,

};

staticstructi2c_driverdummy_driver={

   .driver.name   ="dummy",

   .probe      =dummy_probe,

   .remove      =dummy_remove,

   .id_table   =dummy_id,

};

IIC子系统退出函数：

staticvoid__exiti2c_exit（void）

{

   i2c_del_driver（&dummy_driver）;       //注销IIC设备驱动程序，主要功能是去掉总线中的该设备驱动程序

   class_unregister（&i2c_adapter_class）;             //注销适配器类

   bus_unregister（&i2c_bus_type）;                      //注销I2C总线

}

适配器驱动程序是IIC设备驱动程序需要实现的主要驱动程序，这个驱动程序需要根据具体的适配器硬件来编写。

I2c_adapter结构体为描述各种IIC适配器提供了“模板",它定义了注册总线上所有设备的clients链表、指向具体IIC适配器的总线通信方法I2c_algorithm的algo指针、实现i2c总线的操作原子性的lock信号量。

但i2c_adapter结构体只是所有适配器的共有属性，并不能代表所有类型的适配器

s3c2440对应的适配器为：

structs3c24xx_i2c{

   spinlock_t      lock;          //lock自旋锁

   wait_queue_head_t   wait;      //等待队列头。

由于IIC设备是低速设备，所以可以采取“阻塞-中断”的驱动模型，即读写i2c设备的用户程序在IIC设备操作期间进入阻塞状态，待IIC操作完成后，总线适配器将引发中断，再将相应的中断处理函数中唤醒受阻的用户进程。

该队列用来放阻塞的进程

   unsignedint      suspended:

1;        //设备是否挂起

   structi2c_msg      *msg;      //从适配器到设备一次传输的单位，用这个结构体将数据包装起来便于操作，

   unsignedint      msg_num;      //表示消息的个数

   unsignedint      msg_idx;           //表示第几个消息。

当完成一个消息后，该值增加

   unsignedint      msg_ptr;           //总是指向当前交互中要传送、接受的下一个字节，在i2c_msg.buf中的偏移量位置

   unsignedint      tx_setup;          //表示写IIC设备寄存器的一个时间，这里被设置为50ms

   unsignedint      irq;                        //适配器申请的中断号

   enums3c24xx_i2c_state   state;     //表示IIC设备目前的状态

   unsignedlong      clkrate;            //时钟速率

   void__iomem      *regs;           //IIC设备寄存器地址

   structclk      *clk;                      //对应的时钟

   structdevice      *dev;                //适配器对应的设备结构体

   structresource      *ioarea;           //适配器的资源

   structi2c_adapter   adap;                 //适配器主体结构体

#ifdefCONFIG_CPU_FREQ

   structnotifier_block   freq_transition;

#endif

};

enums3c24xx_i2c_state{

   STATE_IDLE,

   STATE_START,

   STATE_READ,

   STATE_WRITE,

   STATE_STOP

};

struct i2c_msg

{

        __u16  addr;                               //IIC设备地址。

这个字段说明一个适配器在获得总线控