[ 導(dǎo)讀] 本文通過閱讀內(nèi)核代碼，來梳理一下I2C子系統(tǒng)的整體視圖。在開發(fā)I2C設(shè)備驅(qū)動程序時，往往缺乏對于系統(tǒng)整體的認(rèn)識，沒有一個清晰的思路。所以從高層級來分析一下I2C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，將有助于設(shè)計(jì)調(diào)試具體的驅(qū)動程序。

I2C/SMBUS基礎(chǔ)

I2C是一種芯片間通訊總線技術(shù)，最早由Philips設(shè)計(jì)制定。下面內(nèi)容參考I2C 2.1 規(guī)格書

• 半雙工通信方式，通信采用主/從結(jié)構(gòu)
• 支持多主模式，下圖來源于I2C 2.0規(guī)格書

• 其內(nèi)部電氣實(shí)現(xiàn)采用集電極開路(Open-collector)/漏極開路(open-drain)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)線與功能，這是總線的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，多芯片通過查詢總線狀態(tài)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)仲裁以實(shí)現(xiàn)總線控制。
• 總線信號由兩線實(shí)現(xiàn)，串行時鐘線SCL(Serial Clock Line)/串行數(shù)據(jù)線SDA(serial Data Line)。
• 具有三種通訊速率模式：
• standard mode:0-100 kbps  (bps: bit/s)
• Fast mode：0-400 kbps
• High-speed mode : 0-3.4Mbps
• 可支持混速模式

• 不同的速率在硬件設(shè)計(jì)時需要注意信號的完整性，I2C總線等效電容cx
• 支持7bit/10bit 兩種芯片地址模式
• I2C總線電氣特性，這個非常重要，須嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性

• SMBUS(system management bus) 。大多數(shù)SMBus系統(tǒng)也符合I2C，電氣約束對于SMBus更為嚴(yán)格，并且它標(biāo)準(zhǔn)化了特定的協(xié)議消息和習(xí)慣用語。支持I2C的控制器也可以支持大多數(shù)SMBus操作，但是SMBus控制器并不支持I2C控制器將支持的所有協(xié)議選項(xiàng)。通過使用I2C原語或通過向不支持這些I2C操作的i2c_adapter設(shè)備發(fā)出SMBus命令，可以執(zhí)行各種SMBus協(xié)議操作。

  http://smbus.org/

• I2C bus(Inter-Integrated Circuit bus) https://www.i2c-bus.org/

I2C 在Linux設(shè)備中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

• 在PC體系中，大體如下拓?fù)洌?

• 在嵌入式應(yīng)用中，則可能為：

嵌入式應(yīng)用中，則可能更多的情況是處理器內(nèi)置了I2C/SMBUS總線控制器，直接可得到I2C/SMBUS總線。嵌入式系統(tǒng)中常常會設(shè)計(jì)很多傳感器掛載在I2C總線上，比如溫度檢測，壓力檢測等等，又或者諸如電容觸摸屏、電源管理IC等等。

代碼實(shí)現(xiàn)

• I2C 的core實(shí)現(xiàn)位于./drivers/i2c/下，實(shí)現(xiàn)了I2C總線設(shè)備以及驅(qū)動（適配器）和設(shè)備驅(qū)動的注冊、注銷方法，I2C通信方法algorithm抽象，以及與具體硬件無關(guān)的代碼
• I2C主控制器驅(qū)動位于 ./drivers/i2c/busses/，這里主要實(shí)現(xiàn)總線控制器，具體體現(xiàn)為i2c_adapter的實(shí)現(xiàn)。負(fù)責(zé)I2C適配器與從設(shè)備通信。I2C總線驅(qū)動由i2c_adapter和i2c_algorithm來抽象描述。
• 設(shè)備驅(qū)動則分散在./driver/下，這取決于具體的實(shí)現(xiàn)，種類繁多。
• i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，這種方法只是封裝了主機(jī)（I2Cmaster，一般是SoC中內(nèi)置的I2C控制器）的I2C基本操作，并且向應(yīng)用層提供相應(yīng)的操作接口，應(yīng)用層代碼需要自己去實(shí)現(xiàn)對slave的控制和操作，所以這種I2C驅(qū)動相當(dāng)于提供給應(yīng)用層可以訪問slave硬件設(shè)備的接口，本身并未對硬件做任何操作，應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。這種模式也稱為應(yīng)用驅(qū)動程序。
• 另一種I2C驅(qū)動是將所有的代碼都放在驅(qū)動層實(shí)現(xiàn)，直接向應(yīng)用層提供最終結(jié)果。應(yīng)用層甚至不需要知道這里面有I2C存在，譬如電容式觸摸屏驅(qū)動，直接向應(yīng)用層提供/dev/input/event1的操作接口，應(yīng)用層編程的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

I2C子系統(tǒng)的主要目的是，對I2C總線以及設(shè)備利用面向?qū)ο缶幊趟枷雽?shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模，以高內(nèi)聚-低耦合的軟件工程思想，實(shí)現(xiàn)一個分層體系結(jié)構(gòu)，以便于內(nèi)核統(tǒng)一管理I2C設(shè)備，從而可以更容易的在linux下實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備以及高可移植。

主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其內(nèi)部有幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來梳理一下：

• i2c_client, 用于抽象掛載在I2C總線上的從設(shè)備
• i2c_driver,用于驅(qū)動掛載在I2C總線的從設(shè)備，也即從設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序
• i2c_adapter，用于抽象I2C的主設(shè)備
• i2c_algorithm，抽象I2C總線操作接口

i2c_devinfo

該結(jié)構(gòu)體主要用于板級I2C信息管理

i2c_msg

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C報(bào)文。

i2c_timings

主要用于抽象I2C電氣特性，對于支持設(shè)備樹的系統(tǒng)構(gòu)建而言，主要通過以下內(nèi)核接口函數(shù)，從設(shè)備樹解析電氣特性參數(shù)。

void i2c_parse_fw_timings(struct device *dev, struct i2c_timings *t, bool use_defaults) { int ret; memset(t, 0, sizeof(*t));

 ret = device_property_read_u32(dev, "clock-frequency", &t->bus_freq_hz); if (ret && use_defaults)
  t->bus_freq_hz = 100000;

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-rising-time-ns", &t->scl_rise_ns); if (ret && use_defaults) { if (t->bus_freq_hz <= 100000)
   t->scl_rise_ns = 1000; else if (t->bus_freq_hz <= 400000)
   t->scl_rise_ns = 300; else t->scl_rise_ns = 120;
 }

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-falling-time-ns", &t->scl_fall_ns); if (ret && use_defaults) { if (t->bus_freq_hz <= 400000)
   t->scl_fall_ns = 300; else t->scl_fall_ns = 120;
 }

 device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-internal-delay-ns", &t->scl_int_delay_ns);

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-falling-time-ns", &t->sda_fall_ns); if (ret && use_defaults)
  t->sda_fall_ns = t->scl_fall_ns;

 device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-hold-time-ns", &t->sda_hold_ns);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_parse_fw_timings);

i2c_device_identity

該結(jié)構(gòu)體主要用于抽象I2C 設(shè)備的ID屬性，通過內(nèi)核接口函數(shù)i2c_get_device_id以獲取設(shè)備ID屬性。

總體框架

概述

Linux I2C編程接口支持總線交互的主端和從端。從高層級看由兩種驅(qū)動程序和兩種設(shè)備構(gòu)成：

• 適配器設(shè)備與適配器設(shè)備驅(qū)動對：I2C 適配器驅(qū)動程序用于抽象控制器硬件;它綁定到一個物理設(shè)備(可能是一個PCI設(shè)備(PC體系多一些)或platform_device(嵌入式應(yīng)用居多))，并構(gòu)建i2c_adapter實(shí)體以呈現(xiàn)所管理的1個I2C總線段。

  static const struct platform_device_id s3c24xx_driver_ids[] = { {
    .name  = "s3c2410-i2c",
    .driver_data = 0,
   }, {
    .name  = "s3c2440-i2c",
    .driver_data = QUIRK_S3C2440,
   }, {
    .name  = "s3c2440-hdmiphy-i2c",
    .driver_data = QUIRK_S3C2440 | QUIRK_HDMIPHY | QUIRK_NO_GPIO,
   }, { },
  };
  MODULE_DEVICE_TABLE(platform, s3c24xx_driver_ids);

• pci-I2C 適配器設(shè)備。如在i2c-ali1535.c中：
• platform_device。比如：i2c-s3c2410，如下：

/* ALI1535 device address register bits */ #define ALI1535_RD_ADDR  0x01 /* Read/Write Bit in Device */ /*  Address field  */ /*  -> Write = 0  */ /*  -> Read  = 1  */ #define ALI1535_SMBIO_EN 0x04 /* SMB I/O Space enable  */ /*PCI 設(shè)備驅(qū)動*/ static struct pci_driver ali1535_driver; static unsigned long ali1535_smba; static unsigned short ali1535_offset;