Linux I2C核心、总线与设备驱动
本章导读
I2C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线就实现了设备之间的数据交互，较大地简化对硬件资源和PCB板布线空间的占用。因此，I2C总线被非常广泛地应用在EEPROM、实时钟、小型LCD等设备与CPU的接口中。
Linux定义了系统的I2C驱动体系结构，在Linux系统中，I2C驱动由3部分组成，即I2C核心、I2C总线驱动和I2C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I2C框架。
本章*1节将对Linux I2C体系结构进行分析，讲明3个组成部分各自的功能及相互联系。
*2节将对Linux I2C核心进行分析，解释i2c-core.c文件的功能和主要函数的实现。
第3、4节将分别详细介绍I2C总线驱动和I2C设备驱动的编写方法，给出可供参考的设计模板。
第5、6节将以第3、4节给出的设计模板为基础，讲解S3C2410 ARM处理器I2C总线驱动及挂接在上的SAA7113H视频模拟/数字转换芯片设备驱动的编写方法。
15.1 Linux I2C体系结构
Linux的I2C体系结构分为3个组成部分：
I2C核心
I2C 核心提供了I2C总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，I2C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。
I2C总线驱动
I2C总线驱动是对I2C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。
I2C总线驱动主要包含了I2C适配器数据结构i2c_adapter、I2C适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制I2C适配器产生通信信号的函数。
经由I2C总线驱动的代码，我们可以控制I2C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。
I2C设备驱动
I2C设备驱动是对I2C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I2C适配器上，通过I2C适配器与CPU交换数据。
I2C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。
图15.1 Linux I2C体系结构
图15.1 Linux I2C体系结构
在Linux 2.6内核中，所有的I2C设备都被在sysfs文件系统中显示，存在于/sys/bus/i2c/目录，以适配器地址和芯片地址的形式列出，如：
$ tree /sys/bus/i2c/
/sys/bus/i2c/
|-- devices
| |-- 0-0048 -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-0048
| |-- 0-0049 -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-0049
| |-- 0-004a -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004a
| |-- 0-004b -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004b
| |-- 0-004c -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004c
| |-- 0-004d -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004d
| |-- 0-004e -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004e
| `-- 0-004f -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-004f
`-- drivers
|-- i2c_adapter
`-- lm75
|-- 0-0048 -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-0048
|-- 0-0049 -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-0049
|-- 0-004a -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004a
|-- 0-004b -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004b
|-- 0-004c -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004c
|-- 0-004d -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004d
|-- 0-004e -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004e
`-- 0-004f -> ../../../../devices/legacy/i2c-0/0-004f
在Linux内核源代码中的drivers目录下包含一个i2c目录，而在i2c目录下又包含如下文件和文件夹：
i2c-core.c
这个文件实现了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。
i2c-dev.c
实 现了I2C适配器设备文件的功能，每一个I2C适配器都被分配一个设备。通过适配器访问设备时的主设备号都为89，次设备号为0～255。应用程序通过 “i2c-%d” (i2c-0, i2c-1, ..., i2c-10, ...)文件名并使用文件操作接口open()、write()、read()、ioctl()和close()等来访问这个设备。
i2c-dev.c并没有针对特定的设备而设计，只是提供了通用的read()、write()和ioctl()等接口，应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的I2C设备的存储空间或寄存器并控制I2C设备的工作方式。
chips文件夹
这个目录中包含了一些特定的I2C设备驱动，如Dallas公司的DS1337实时钟芯片、EPSON公司的RTC8564实时钟芯片和I2C接口的EEPROM驱动等。
busses文件夹
这个文件中包含了一些I2C总线的驱动，如S3C2410的I2C控制器驱动为i2c-s3c2410.c。
algos文件夹
实现了一些I2C总线适配器的algorithm。
此外，内核中的i2c.h这个头文件对i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter和i2c_algorithm这4个数据结构进行了定义。理解这4个结构体的作用十分关键，代码清单15.1、15.2、15.3、15.4分别给出了它们的定义。
代码清单15.1 i2c_adapter结构体
1 struct i2c_adapter {
2 struct module *owner;/*所属模块*/
3 unsigned int id; /*algorithm的类型，定义于i2c-id.h，以I2C_ALGO_开始*/
4 unsigned int class;
5 struct i2c_algorithm *algo;/*总线通信方法结构体指针 */
6 void *algo_data; /* algorithm数据 */
7 int (*client_register)(struct i2c_client *); /*client注册时调用*/
8 int (*client_unregister)(struct i2c_client *); /*client注销时调用*/
9 struct semaphore bus_lock; /*控制并发访问的自旋锁*/
10 struct semaphore clist_lock;
11 int timeout;
12 int retries; /*重试次数*/
13 struct device dev; /* 适配器设备 */
14 struct class_device class_dev; /* 类设备 */
15 int nr;
16 struct list_head clients; /* client链表头*/
17 struct list_head list;
18 char name[I2C_NAME_SIZE]; /*适配器名称*/
19 struct completion dev_released; /*用于同步*/
20 struct completion class_dev_released;
21};
代码清单15.2 i2c_algorithm结构体
1 struct i2c_algorithm {
2 int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap,struct i2c_msg *m***,
3 int num); /*i2c传输函数指针*/
4 int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr, /*smbus传输函数指针*/
5 unsigned short flags, char read_write,
6 u8 command, int size, union i2c_smbus_data * data);
7 int (*slave_send)(struct i2c_adapter *,char*,int);/*当i2c适配器为slave时，发送函数*/
8 int (*slave_recv)(struct i2c_adapter *,char*,int); /*当i2c适配器为slave时，接收函数*/
9 int (*algo_control)(struct i2c_adapter *, unsigned int, unsigned long); /*类似ioctl*/
10 u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);/*返回适配器支持的功能*/
11 };
上述代码*4行对应为SMBus传输函数指针，SMBus大部分基于I2C总线规范，SMBus不需增加额外引脚。与I2C总线相比，SMBus增加了一些新的功能特性，在访问时序也有一定的差异。
代码清单15.3 i2c_driver结构体
1 struct i2c_driver {
2 int id;
3 unsigned int class;
4 int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *); /*依附i2c_adapter函数指针 */
5 int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter *); /*脱离i2c_adapter函数指针*/
6 int (*detach_client)(struct i2c_client *); /*i2c client脱离函数指针*/
7 int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd, void *arg); /*类似ioctl*/ | 
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