Linux IIC设备驱动开发.docx

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LinuxIIC设备驱动开发

目录

1.I2C总线简介1

1.1.I2C总线工作原理1

1.2.I2C总线的几种信号状态1

1.3.I2C总线基本操作1

2.Linux系统I2C驱动程序2

2.1.I2C驱动层次结构2

2.2.I2C核心（I2Ccore）3

2.3.I2C控制器驱动（I2Cadapter）3

2.4.I2C设备驱动（I2Cdriver）3

3.基于SUNXI平台的I2C控制器驱动4

3.1.I2C驱动层次架构4

3.2.I2C驱动源码结构4

3.3.I2C驱动配置说明5

4.I2C设备驱动程序的开发7

4.1.I2C设备驱动一般结构7

4.2.常用数据结构解析7

4.2.1.i2c_adapter7

4.2.2.i2c_algorithm8

4.2.3.i2c_msg8

4.2.4.i2c_client8

4.2.5.i2c_driver9

4.3.常用接口函数解析9

4.3.1.i2c_add_driver9

4.3.2.i2c_del_driver10

4.3.3.i2c_set_clientdata10

4.3.4.i2c_get_clientdata10

4.3.5.i2c_master_send10

4.3.6.i2c_master_resv11

4.3.7.i2c_transfer11

4.4.I2C设备驱动DEMO11

1.I2C总线简介

I2C（Inter-IntegratedCircuit）总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

I2C总线最主要的优点就是简单性和有效性。

1.1.I2C总线工作原理

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，各种被控制器件均并联在这条总线上，每个器件都有一个唯一的地址识别，可以作为总线上的一个发送器件或接收器件（具体由器件的功能决定）。

I2C总线的接口电路结构如图1所示。

图1I2C总线接口电路结构图

1.2.I2C总线的几种信号状态

1.空闲状态：

SDA和SCL都为高电平。

2.开始条件（S）：

SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

3.结束条件（P）：

SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

4.数据有效：

在SCL的高电平期间，SDA保持稳定，数据有效。

SDA的改变只能发生在SCL的低电平期间。

5.ACK信号：

数据传输的过程中，接收器件每接收一个字节数据要产生一个ACK信号，向发送器件发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。

1.3.I2C总线基本操作

I2C总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL），同时控制总线的传输方向，并产生开始和停止条件。

数据传输中，首先由主器件产生开始条件，随后是器件的控制字节（前七位是从器件的地址，最后一位为读写位）。

接下来是读写操作的数据，以及ACK响应信号。

数据传输结束时，主器件产生停止条件。

具体的过程如图2所示。

图2I2C总线数据传输图

2.Linux系统I2C驱动程序

2.1.I2C驱动层次结构

Linux系统对I2C设备具有很好的支持，Linux系统下的I2C驱动程序从逻辑上可以分为3个部分：

1.I2C核心（I2Ccore）：

实现对I2C总线、I2Cadapter及I2Cdriver的管理。

2.I2C控制器驱动I2Cadapter：

针对不同类型的I2C控制器，实现对I2C总线访问的具体方法。

3.I2C设备驱动I2Cdriver：

针对特定的I2C设备，实现具体的功能，包括read，write以及ioctl等对用户层操作的接口。

4.这三个部分的层次关系如图3和图4所示。

图3Linux内核管理I2C原理图

图4LinuxI2C设备驱动工作原理图

2.2.I2C核心（I2Ccore）

I2Ccore是Linux内核用来维护和管理I2C的核心部分，其中维护了两个静态的List，分别记录系统中的I2Cdriver结构和I2Cadapter结构。

I2Ccore提供接口函数，允许一个I2Cadapter，I2Cdriver和I2Cclient初始化时在I2Ccore中进行注册，以及退出时进行注销。

同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口（具体的实现在与I2C控制器相关的I2Cadapter中实现），主要应用在I2C设备驱动中。

2.3.I2C控制器驱动（I2Cadapter）

I2Cadapter是针对不同类型I2C控制器硬件，实现比较底层的对I2C总线访问的具体方法。

I2Cadapter构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，并通过接口函数向I2Ccore注册一个控制器。

I2Cadapter主要实现对I2C总线访问的算法，master_xfer（）函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。

同时I2Cadapter中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。

2.4.I2C设备驱动（I2Cdriver）

I2Cdriver是对I2C从设备的软件实现。

I2Cdriver中提供了一个通用的I2C设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过I2Cadapter来实现的。

I2Cdriver构造一个对I2Ccore层接口的数据结构，通过接口函数向I2CCore注册一个I2C设备驱动。

同时I2Cdriver构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。

I2Cdriver实现用户层对I2C设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，可以通过open函数打开I2C设备文件，通过ioctl函数设定要访问I2C设备的地址，然后就可以通过read和write函数完成对I2C设备的读写操作。

通过I2Cdriver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。

为了更方便和有效地使用I2C设备，可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。

3.基于SUNXI平台的I2C控制器驱动

3.1.I2C驱动层次架构

位于drivers/i2c/busses目录下的文件i2c-sunxi.c，是基于sunxi平台实现的I2C总线控制器驱动。

它的职责是为系统中3条I2C总线实现相应的读写方法，但是控制器驱动本身并不会进行任何的通讯，而是等待设备驱动调用其函数。

图5是基于SUNXI平台的I2C驱动层次架构图，图中有3块I2Cadapter，分别对应SUNXI平台上的3块I2C控制器。

图5I2C驱动层次架构图

系统开机时，I2C控制器驱动首先被装载，I2C控制器驱动用于支持I2C总线的读写。

i2c_sunxi_algorithm结构体中定义了I2C总线通信方法函数i2c_sunxi_xfer（），该函数实现了对I2C总线访问的具体方法，设备驱动通过调用这个函数，实现对I2C总线的访问；而在函数i2c_sunxi_probe（）中完成了对I2Cadapter的初始化。

3.2.I2C驱动源码结构

在drivers/i2c/目录下，包含有几个重要文件和目录，如下：

1.文件i2c-core.c：

I2C子系统核心功能的实现；

2.文件i2c-dev.c：

通用的从设备驱动实现；

3.目录busses：

里面包括基于不同平台实现的I2C总线控制器驱动；

4.目录algos：

里面实现了一些I2C总线控制器的algorithm。

3.3.I2C驱动配置说明

对于I2C总线控制器的配置，可通过命令makeARCH=armmenuconfig进入配置主界面，并按以下步骤操作：

首先，选择DeviceDrivers选项进入下一级配置，如图6所示：

图6DeviceDrivers选项配置

然后，选择I2Csupport选项，进入下一级配置，如图7所示：

图7I2Csupport选项配置

接着，选择I2CHardWareBussupport选项，进入下一级配置，如图8所示：

图8I2CHardWareBussupport选项配置

最后，选择AllWinnerTechnologySUN4II2Cinterface选项，可选择直接编译进内核，也可以选择编译成模块。

如图9所示：

图9AllWinnerTechnologySUN4II2Cinterface选项配置

此外，若需要获取指定I2C总线控制器相关的调试打印信息，可选择SUNXI_IIC_PRINT_TRANSFER_INFO选项，并在busnumid选项中指定对应的I2C总线控制器编号，可输入0，1，2，如图10所示：

图10I2C总线控制器调试信息配置

4.I2C设备驱动程序的开发

4.1.I2C设备驱动一般结构

一个具体的I2C设备驱动需要实现两个方面的接口，一方面是对I2Ccore层的接口，用以挂接I2Cadapter来实现对I2C总线及I2C设备具体的访问方法，包括要实现probe，remove，detect等接口函数；另一方面是对用户应用层的接口，提供用户程序访问I2C设备的接口，包括实现open，release，read，write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。

对I2Ccore层的接口函数的具体功能解释如下：

probe：

I2Cdriver进行设备绑定的回调函数。

remove：

I2Cdriver解除设备绑定的回调函数。

detect：

I2C设备探测回调函数，它会识别所支持的设备（返回0表示支持，否则返回-ENODEV）；此外，需要定义一个供探测的地址列表（address_list）和一个设备类型（class），这样使那些仅匹配设备类型的i2c总线被探测到。

例如，对于一个自动监测硬件芯片的驱动将会设置它的class域为I2C_CLASS_HWMON，只有那些class域为I2C_CLASS_HWMON的控制器能够被驱动探测。

4.2.常用数据结构解析

4.2.1.i2c_adapter

structi2c_adapter{

structmodule*owner;/*所属模块*/

unsignedintid;/*algorithm的类型，定义于i2c-id.h，以I2C_ALGO_开始*/

unsignedintclass;

conststructi2c_algorithm*algo;/*总线通信方法结构体指针*/

void*algo_data;/*algorithm数据*/

structrt_mutexbus_lock;

inttimeout;/*超时时间，以jiffies为单位*/

intretries;/*重试次数*/

structdevicedev;/*控制器设备*/

intnr;

charname[48];/*控制器名称*/

structcompletiondev_released;/*用于同步*/

structmutexuserspace_clients_lock;

structlist_headuserspace_clients;

};

i2c_adapter对应于物理上的一个控制器。

一个I2C控制器需要i2c_algorithm中提供的通信函数来控制控制器上产生特定的访问周期。

4.2.2.i2c_algorithm

structi2c_algorithm{

/*I2C传输函数指针*/

int（*master_xfer）（structi2c_adapter*adap,structi2c_msg*msgs,intnum）;

/*smbus传输函数指针*/

int（*smbus_xfer）（structi2c_adapter*adap,u16addr,

unsignedshortflags,charread_write,

u8command,intsize,unioni2c_smbus_data*data）;

/*返回控制器支持的功能*/

u32（*functionality）（structi2c_adapter*）;

};

i2c_algorithm中的关键函数master_xfer（）用于产生I2C访问周期需要的信号，以i2c_msg（即I2C消息）为单位。

4.2.3.i2c_msg

structi2c_msg{

__u16addr;/*从设备地址*/

__u16flags;/*消息类型*/

__u16len;/*消息长度*/

__u8*buf;/*消息数据*/

};

i2c_msg是I2C传输的基本单位，它包含了从设备的具体地址，消息的类型以及要传输的具体数据信息。

每个I2C消息传输前，都会产生一个开始位，紧接着传送从设备地址，然后开始数据的发送或接收，对最后的消息还需产生一个停止位。

4.2.4.i2c_client

structi2c_client{

unsignedshortflags;/*标志*/

unsignedshortaddr;/*低7位的芯片地址*/

charname[I2C_NAME_SIZE];/*设备名称*/

structi2c_adapter*adapter;/*依附的i2c_adapter*/

structi2c_driver*driver;/*依附的i2c_driver*/

structdevicedev;

intirq;/*设备使用的中断号*/

structlist_headdetected;

};

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。

4.2.5.i2c_driver

structi2c_driver{

unsignedintclass;

int（*attach_adapter）（structi2c_adapter*）;/*依附i2c_adapter函数指针*/

int（*detach_adapter）（structi2c_adapter*）;/*脱离i2c_adapter函数指针*/

int（*probe）（structi2c_client*,conststructi2c_device_id*）;

int（*remove）（structi2c_client*）;

void（*shutdown）（structi2c_client*）;

int（*suspend）（structi2c_client*,pm_message_tmesg）;

int（*resume）（structi2c_client*）;

void（*alert）（structi2c_client*,unsignedintdata）;

int（*command）（structi2c_client*client,unsignedintcmd,void*arg）;

structdevice_driverdriver;

conststructi2c_device_id*id_table;/*该驱动所支持的设备ID表*/

int（*detect）（structi2c_client*,structi2c_board_info*）;/*设备探测函数*/

constunsignedshort*address_list;/*驱动支持的设备地址*/

structlist_headclients;/*挂接探测到的支持的设备*/

};

i2c_driver对应一套驱动方法，其主要成员函数是probe（）、remove（）、suspend（）、resume（）等，另外id_table是该驱动所支持的I2C设备的ID表。

i2c_driver与i2c_client的关系是一对多，一个i2c_driver上可以支持多个同等类型的i2c_client。

4.3.常用接口函数解析

4.3.1.i2c_add_driver

ØPROTOTYPE

staticinlineinti2c_add_driver（structi2c_driver*driver）;

ØARGUMENTS

driverthepointertothei2cdevicedriver;

ØRETURNS

initresult;

=0initsuccessful;

<0initfailed;

ØDESCRIPTION

Registerani2cdevicedrivertoi2csub-system;

4.3.2.i2c_del_driver

ØPROTOTYPE

voidi2c_del_driver（structi2c_driver*driver）;

ØARGUMENTS

driverthepointertothei2cdevicedriver;

ØRETURNS

None;

ØDESCRIPTION

Unregisterani2cdevicedriverfromi2csub-system;

4.3.3.i2c_set_clientdata

ØPROTOTYPE

staticinlinevoidi2c_set_clientdata（structi2c_client*dev,void*data）;

ØARGUMENTS

devhandletoslavedevice;

dataprivatedatathatcanbesettoi2cclient;

ØRETURNS

None;

ØDESCRIPTION

Setprivatedatatoi2cclient;

4.3.4.i2c_get_clientdata

ØPROTOTYPE

staticinlinevoid*i2c_get_clientdata（conststructi2c_client*dev）;

ØARGUMENTS

devhandletoslavedevice;

ØRETURNS

None;

ØDESCRIPTION

Getprivatedatafromi2cclient;

4.3.5.i2c_master_send

ØPROTOTYPE

inti2c_master_send（structi2c_client*client,constchar*buf,intcount）;

ØARGUMENTS

clinethandletoslavedevice;

bufdatathatwillbewrittentotheslave;

counthowmanybytestowrite,mustbelessthan64ksincemsg.lenisu16;

ØRETURNS

sendresult;

>0thenumberofbyteswritten;

<0negativeerrno;

ØDESCRIPTION

IssueasingleI2Cmessageinmastertransmitmode;

4.3.6.i2c_master_resv

ØPROTOTYPE

inti2c_master_recv（structi2c_client*client,char*buf,intcount）;

ØARGUMENTS

clinethandletoslavedevice;

bufwheretostoredatareadfromslave;

counthowmanybytestoread,mustbelessthan64ksincemsg.lenisu16;

ØRETURNS

receiveresult;

>0thenumberofbytesread;

<0negativeerrno;

ØDESCRIPTION

IssueasingleI2Cmessageinmasterreceivemode;

4.3.7.i2c_transfer

ØPROTOTYPE

inti2c_transfer（structi2c_adapter*adap,structi2c_msg*msgs,intnum）;

ØARGUMENTS

adaphandletoI2Cbus;

msgsoneormoremessagestoexecutebeforeSTOPisissuedtoterminatetheoperation;eachmessagebeginswithaSTART;

numNumberofmessagestobeexecuted;

ØRETURNS

transferresult;

>0numberofmessagesexecuted;

<0negativeerrno;

ØDESCRIPTION

ExecuteasingleorcombinedI2Cmessage;notethatthereisnorequirementthateachmessagebesenttothesameslaveaddress,althoughthatisthemostcommonmodel.

4.4.I2C设备驱动DEMO

下面给出一个最简单的I2C设备驱动demo，例如i2c_driver_demo.c，文件具体内容如下：

#include

#include

#include

#include

staticinti2c_driver_demo_probe（structi2c_client*client,conststructi2c_device_id*id）

{

return0;

}

sta