Exynos4412 IIC总线驱动开发—— IIC 基础概念及驱动架构分析

Posted 2020-10-27 柒月

 关于Exynos4412 IIC 裸机开发请看 ：Exynos4412 裸机开发 —— IIC总线 ，下面回顾下 IIC 基础概念

一、IIC 基础概念

       IIC(Inter－Integrated Circuit)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。IIC总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。

1、 IIC总线的特点

       IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。IIC总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

2、IIC总线工作原理

a -- 总线构成

      IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分：

1) 地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；

2) 控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。

    这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

b -- 信号类型

    IIC总线在传送数据过程中共有四种类型信号：

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据；

数据传输信号：在开始条件以后，时钟信号SCL的高电平周期期问，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被读走，开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。

应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

 

      目前有很多半导体集成电路上都集成了IIC接口。带有IIC接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供IIC接口。

3、总线基本操作

     IIC规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 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）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

a -- 控制字节

      在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。

b -- 写操作

      写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序。

c -- 读操作

      读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

d -- 总线仲裁

       主机只能在总线空闲的时候启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最小持续内产生一个起始条件，结果在总线上产生一个规定的起始条件。

       当SCL线是高电平时，仲裁在SDA线发生：这样，在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平和它自己的电平不同。

      仲裁可以持续多位。从地址位开始，同一个器件的话接着就是数据位（如果主机-发送器），或者比较相应位（如果主机-接收器）。IIC总线的地址和数据信息由赢得仲裁的主机决定，在这个过程中不会丢失信息。

仲裁不能在下面情况之间进行：

1）重复起始条件和数据位；
2）停止条件和数据位；
3）重复起始条件和停止条件。

4、特性总结

      IIC肯定是2线的(不算地线)IIC协议确实很科学,比3/4线的SPI要好,当然线多通讯速率相对就快了

IIC的原则是

a -- 在SCL=1(高电平)时,SDA千万别忽悠!!!否则,SDA下跳则"判罚"为"起始信号S",SDA上跳则"判罚"为"停止信号P".

b -- 在SCL=0(低电平)时,SDA随便忽悠!!!(可别忽悠过火到SCL跳高)

c -- 每个字节后应该由对方回送一个应答信号ACK做为对方在线的标志.非应答信号一般在所有字节的最后一个字节后.一般要由双方协议签定.

d -- SCL必须由主机发送,否则天下大乱

e -- 首字节是"片选信号",即7位从机地址加1位方向(读写)控制.从机收到(听到)自己的地址才能发送应答信号(必须应答!!!)表示自己在线.其他地址的从机不允许忽悠!!!(当然群呼可以忽悠但只能听不许说话)

f -- 读写是站在主机的立场上定义的."读"是主机接收从机数据,"写"是主机发送数据给从机.

g-- 重复位主要用于主机从发送模式到接收模式的转换"信号",由于只有2线,所以收发转换肯定要比SPI复杂,因为SPI可用不同的边沿来收发数据,而IIC不行.

h -- 在硬件IIC模块,特别是MCU/ARM/DSP等每个阶段都会得到一个准确的状态码,根据这个状态码可以很容易知道现在在什么状态和什么出错信息.

i -- 7位IIC总线可以挂接127个不同地址的IIC设备,0号"设备"作为群呼地址.10位IIC总线可以挂接更多的10位IIC设备.

 

二、 Linux下IIC驱动架构

         Linux定义了系统的IIC驱动体系结构，在Linux系统中，IIC驱动由3部分组成，即IIC核心、IIC总线驱动和IIC设备驱动。这3部分相互协作，形成了非常通用、可适应性很强的IIC框架。

 

 

       上图完整的描述了linux i2c驱动架构，虽然I2C硬件体系结构比较简单，但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。

       那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序？就是说上述架构中的那些部分需要我们完成，而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的？

 

1、架构层次分类

　  第一层：提供i2c adapter的硬件驱动，探测、初始化i2c adapter（如申请i2c的io地址和中断号），驱动soc控制的i2c adapter在硬件上产生信号（start、stop、ack）以及处理i2c中断。覆盖图中的硬件实现层

 　 第二层：提供i2c adapter的algorithm，用具体适配器的xxx_xferf()函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针，并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层

　  第三层：实现i2c设备驱动中的i2c_driver接口，用具体的i2c device设备的attach_adapter()、detach_adapter()方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。实现设备device与总线（或者叫adapter）的挂接。覆盖图中的driver驱动层

　 第四层：实现i2c设备所对应的具体device的驱动，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接，而挂接在总线上的设备则是千差万别的，所以要实现具体设备device的write()、read()、ioctl()等方法，赋值给file_operations，然后注册字符设备（多数是字符设备）。覆盖图中的driver驱动层

 

     第一层和第二层又叫i2c总线驱动(bus)，第三第四属于i2c设备驱动(device driver)。

     在linux驱动架构中，几乎不需要驱动开发人员再添加bus，因为linux内核几乎集成所有总线bus，如usb、pci、i2c等等。并且总线bus中的(与特定硬件相关的代码)已由芯片提供商编写完成，例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

      第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了。

 

2、Linux下I2C驱动体系结构三部分详细分析

a -- IIC核心

       IIC 核心提供了IIC总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，IIC通信方法（即“algorithm”，笔者认为直译为“运算方法”并不合适，为免引起误解， 下文将直接使用“algorithm”）上层的、与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。

     在我们的Linux驱动的i2c文件夹下有algos，busses，chips三个文件夹，另外还有i2c-core.c和i2c-dev.c两个文件。

     i2c-core.c文件实现了I2Ccore框架，是Linux内核用来维护和管理的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I2Cadatper，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，主要应用在I2C设备驱动中。

 

b -- IIC总线驱动

       IIC总线驱动是对IIC硬件体系结构中适配器端的实现，适配器可由CPU控制，甚至直接集成在CPU内部。总线驱动的职责，是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯，它只是存在那里，等待设备驱动调用其函数。

     IIC总线驱动主要包含了IIC适配器数据结构i2c_adapter、IIC适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制IIC适配器产生通信信号的函数。经由IIC总线驱动的代码，我们可以控制IIC适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写、产生ACK等。

　Busses文件夹下的i2c-mpc.c文件实现了PowerPC下I2C总线适配器驱动，定义描述了具体的I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构，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，iic_xfer() 函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2Cadpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。

 

c -- IIC设备驱动

      IIC设备驱动是对IIC硬件体系结构中设备端的实现，设备一般挂接在受CPU控制的IIC适配器上，通过IIC适配器与CPU交换数据。设备驱动则是与挂在I2C总线上的具体的设备通讯的驱动。通过I2C总线驱动提供的函数，设备驱动可以忽略不同总线控制器的差异，不考虑其实现细节地与硬件设备通讯。

      IIC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-dev.c文件中实现了I2Cdriver，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，实现了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。我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，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，我们可以为一个具体的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、重要的结构体

      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，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。

a -- i2c_client 

       一个IIC设备由i2c_client数据结构进行描述：

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1. struct  i2c_client  
2. {  
3.     unsigned short  flags;                        　 //标志位  
4.     unsigned short  addr;　　　　　　　　　　　　　　  //设备的地址，低7位为芯片地址  
5.     char name[I2C_NAME_SIZE];　　　　　　　　　　   //设备的名称，最大为20个字节  
6.     struct  i2c_adapter *adapter;　　　　　　　　　　　//依附的适配器i2c_adapter，适配器指明所属的总线  
7.     struct  i2c_driver *driver;　　　　　　　　　　　　　//指向设备对应的驱动程序  
8.     struct device  dev;　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备结构体  
9.     int irq;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//设备申请的中断号  
10.     struct list_head  list;　　　　　　　　　　　　　　　　//连接到总线上的所有设备  
11.     struct list_head 　　detected;　　　　　　　　　　　//已经被发现的设备链表  
12.     struct completion　　released;　　　　　　　　　　　//是否已经释放的完成量  
13. };  

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；

 

     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；

 

b -- IIC设备驱动     i2c_driver

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1. struct  i2c_driver  
2. {  
3.     int id;                         //驱动标识ID  
4.     unsigned int class;               //驱动的类型  
5.     int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);             //当检测到适配器时调用的函数  
6.     int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);              //卸载适配器时调用的函数  
7.     int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated;             //卸载设备时调用的函数  
8.     
9.      //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  
10.     int  (*probe)(struct i2c_client *,const struct  i2c_device_id *);              //新类型设备探测函数  
11.     int (*remove)(struct i2c_client *);                   //新类型设备的移除函数  
12.     void (*shutdown)(struct i2c_client *);              //关闭IIC设备  
13.     int (*suspend)(struct  i2c_client *,pm_messge_t mesg);           //挂起IIC设备  
14.         int (*resume)(struct  i2c_client *);                               //恢复IIC设备  
15.     int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg);        //使用命令使设备完成特殊的功能。类似ioctl（）函数  
16.     struct devcie_driver  driver;                         //设备驱动结构体  
17.     const struct  i2c_device_id *id_table;                       //设备ID表  
18.     int (*detect)(struct i2c_client *,int  kind,struct  i2c_board_info *);          //自动探测设备的回调函数  
19.   
20.     const  struct i2c_client_address_data          *address_data;                 //设备所在的地址范围  
21.     struct  list_head    clients;                    //指向驱动支持的设备  
22. };  

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：

c -- i2c_adapter

      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：

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1. struct i2c_adapter  
2. {  
3.     struct module *owner;                        //模块计数  
4.         unsigned  int id;                                  //alogorithm的类型，定义于i2c_id.h中  
5.         unsigned   int  class;                           //允许探测的驱动类型  
6.     const struct i2c_algorithm *algo;         //指向适配器的驱动程序  
7.         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  
8.         int (*client_register)(struct  i2c_client *);          //设备client注册时调用  
9.         int (*client_unregister(struct  i2c_client *);       //设备client注销时调用  
10.         u8 level;                                                           
11.     struct  mutex  bus_lock;                             //对总线进行操作时，将获得总线锁  
12.         struct  mutex  clist_lock ;                            //链表操作的互斥锁  
13.         int timeout;                                                  //超时  
14.     int retries;                                                     //重试次数  
15.     struct device dev;                                          //指向 适配器的设备结构体  
16.     int  nr ;                                                            
17.     struct  list_head      clients;                            //连接总线上的设备的链表  
18.     char name[48];                                              //适配器名称  
19.     struct completion     dev_released;               //用于同步的完成量  
20. };  

d -- i2c_algorithm

       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:

 

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1. struct  i2c_algorithm  
2. {  
3.     int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, int num);              //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  
4.     int  (*smbus_xfer)(struct  i2c_adapter *adap, u16  addr, unsigned  short flags, char  read_write, u8 command, int size, 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  
5.     u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);                   //返回适配器支持的功能  
6.   
7. };  

      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：

 

 

4、各结构体的作用与它们之间的关系

a -- i2c_adapter与i2c_algorithm

　　i2c_adapter对应与物理上的一个适配器，而i2c_algorithm对应一套通信方法，一个i2c适配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下层与硬件相关的代码提供）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i2c_algorithm的指针。

        i2c_algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生i2c访问周期需要的start stop ack信号，以i2c_msg（即i2c消息）为单位发送和接收通信数据。

　　i2c_msg也非常关键，调用驱动中的发送接收函数需要填充该结构体

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1. struct i2c_msg {    
2.     __u16 addr; /* slave address            */    
3.     __u16 flags;            
4.     __u16 len;      /* msg length               */    
5.     __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */    
6. };    

 

 

b --i2c_driver和i2c_client

      i2c_driver对应一套驱动方法，其主要函数是attach_adapter()和detach_client()

      i2c_client对应真实的i2c物理设备device，每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述

      2c_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.

c -- i2c_adapter和i2c_client

　　i2c_adapter和i2c_client的关系与i2c硬件体系中适配器和设备的关系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一个适配器上可以连接多个i2c设备，所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的链表。

 

　从i2c驱动架构图中可以看出，linux内核对i2c架构抽象了一个叫核心层core的中间件，它分离了设备驱动device driver和硬件控制的实现细节（如操作i2c的寄存器），core层不但为上面的设备驱动提供封装后的内核注册函数，而且还为小面的硬件事件提供注册接口（也就是i2c总线注册接口），可以说core层起到了承上启下的作用。