基于Linux驱动的I2C总线的深度分析

1、 I2C总线的硬件特性:两线式串行总线.用于连接CPU和外设之间的通信接口需要2根信号线,时钟控制线SCL和数据传输信号线SDA.串行:CPU和外设之间传输是一个周期传输一个BIT位, 如果需要写入0X55,需要两个时钟周期才能完成.CPU又称master,外设又称slave。

“一个时钟周期传输一个bit”:CPU和外设之间传输一个bit位,必须要通过时钟控制信号来实现双方的数据收和发!比如CPU在时钟高电平像数据线写入数据,设备在同一个周期低电平从数据线上接收数据。

“总线”:两根信号线上可以挂接很多外设,也可以挂接很多CPU.一般来说总线上只有一个CPU,如果有多个CPU,I2C总线具有仲裁机制来实现同步访问。

SCL和SDA分别会接上一个上拉电阻,这两根信号线的默认状态为高电平状态!一般如果CU或者外设配置GPIO为输出口,就等于CPU或者外设控制了GPIO获取控制权;如果配置成输入口,就等于释放控制权。

2、问:CPU如何通过两根线找到需要访问的具体设备?CPU如果找到某个具有的外设,那么CPU和外设是如何通过两根信号新完成数据交互? SDA和SCL如何搭配的?

以上答案在I2C总线协议中(芯片手册)

3、  总线协议相关内容：

（1） START信号，起始信号：CPU如果要访问总线，必须CU首先向总线上发送一个START起始信号；此信号由CPU发起；SCL为高电平。SDL由高电平向低电平跳变，产生START信号‘

（2） 停止信号，结束信号：CPU结束访问总线，需要向总线发送一个STOP信号；此信号由CPU发起；SCL为高电平，SDA由低电平向高电平跳变，产生STOP信号；

（3） 设备地址：用于标识外设在I2C总线上的唯一性！同一个I2C总线上外设，每一个外设都有唯一的设备地址；如果CPU要访问某个外设，CPU只需要在总线上发送某个外设的设备地址即可，发送完毕，如果外设存在于总线上，外设会给CPU一个反馈信号，就可以进行后续的数据访问；

外设的设备地址的确定：一般有芯片厂家和原理图共同决定，以三个外设为例，电可檫除存储器AT24C02、温度传感器LM77，背光灯控制芯片ADP8860。

AT24C02，EEPROM的设备地址：1010A2A1A0R/W：1010：高4bit，芯片厂家定义；A2A1A0：原理图上都接GNDèA2A1A01=000 R=1，表示CPU读取外设，W=0，表示CPU写外设。

WP:写保护

通过以上信息，得到读设备地址:10100001=>0Xa1 写设备地址：10100000=>0Xa0 设备地址（7位，不算读写位，地址右移1位，高位补0）=》最终设备地址=01010000=》0X50

ADP8860背光灯控制芯片设备地址0101010X:读设备地址:01010101=>0X55 写设备地址:01010100=>0X54

设备地址：00101010=>0X2A

LM77设备地址100100A1AA1：如果A1A0都接地：A1A0=00 读设备地址：10010001=>0X91 写设备地址：10010000=>0X90 设备地址：01001000=>0X48。

（4）ACK信号：反馈应答信号。如果CPU发送完设备地址，，并且外设进行响应，此时给CPU发送一个ACK应答信号，告诉CPU，外设存在于总线上；如果在数据读写过程中，也可以通过ACK信号指示数据的读写过程是否正常！有效的ACK信号为低电平（数据线），无效的ACK信号为高电平！  

4.CPU与外设的数据交互：I2C的数据传输，从高位开始发送，一次传输一个字节！

1.LM77温度传感器的数据传输

（1）CPU发送START信号；（2）COU发送设备地址 3.CPU发送读写位4.设备如果正常存在总线上，设备给CPU发送一个ACK信号 5.根据芯片手册进行数据的读写操作，其中涉及到ACK信号，这个ACK与4步骤ACK信号意义不太一样！6.CPU发送STOP信号，结束此次数据交互。

2.ADP8860背光灯芯片：芯片内部有一组寄存器，但是这些寄存器CPU不能像访问GPIO一样直接去访问寄存器地址，原因ADP8860并没有直接连接到CPU的4G地址空间中，需要间接的利用I2C总线访问芯片内部的寄存器地址；例如把数据0XAA写入芯片内部寄存器0X34这个地址。

（1）CPU发送START信号 （2）CPU发送设备地址

3.CPU发送读写位，如果是写，这个bit为0 

4.ADP8860如果正常存在于总线上，设备返回一个ACK信号给CPU，低电平有效。

5.CPU发送访问的寄存器以后，设备给CPU发送一个ACK信号，告诉CPU可以继续访问；

7.CPU发送要写入的数据0XAA；

8.设备将数据0XAA写入到内部寄存器0X34，然后设备给CPU一个ACK信号，告诉CPU写入成功； 

9.CPU发送STOP信号，结束此次的寄存器写入操作

3.电可檫除存储器EEPROM（at24c02）访问过程：

AT24C01的容量为256字节，地址编址：0—255 MSN:高位LSB:低位。

将数据0XAA 写入到内部储存地址0X55，CPU要访问的内部地址的操作过程和ADP8860相似！

（1）CPU发送START信号 （2）CPU发送设备地址 （3）CPU发送写：0 （4）设备存在总线上，那么设备给CPU发送一个ACK应答信号，告诉CPU，我在总线上！ （4）CPU发送要操作的地址：0X55 （5）设备接收到这个要操作的地址，设备给CPU发送一个ACK信号，告诉CPU，可以访问这个地址！（6）CPU发送要写入的数据0XAA （7）设备接收这个要写入的数据，并将数据写入到对应的地址0X55中，设备给CPU发送一个ACK信号，告诉CPU写入数据成功! （8）CPU发送一个STOP信号，停止数据的此次访问。

随机读：就是读任何一个地址里的数据即可，例如读取0X55地址空间中的数据信息。

SDA和SCL如何搭配使用？ 如果CPU或者设备向数据线上写入数据，应该在SCL为低电平写入数据；如果CPU或者设备从数据线上获取数据，应该在同周期的高电平去读数据！

I2C外设的具体如何操作，关键看芯片手册即可！

4.    AT24C02的硬件特性：EEPROM,电可檫除存储器； 容量：2K ，256字节 传输速度：100khz’，400KHZ

写周期：5ms 分页：1页为8字节，如果按页写，最多一次只能写8字节，如果写9字节，第9字节数据会把第一字节的数据进行覆盖； 地址编码：0—255 设备地址：0X50

5.案例:存储软件和硬件版本号到EEPROM中：软件版本号：SYYMMDDXY->S14101700 硬件版本号：HYYMMDDXY->H14101700EEROM存储器地址规划:软件版本号的地址范围:0X0—0X9硬件版本哈的地址范围：0X10—0X19

驱动设计：1.采用GPIO模拟I2C时序来实现I2C总线硬件操作！2.采用操作I2C控制器来实现I2C总线硬件操作！ 3.采用linux内核I2C驱动框架来实现I2C硬件操作

5.1 Linux内核的I2C驱动框架：

App：open，read，write，ioctl

         Eeprom.ADDR = 0;设备地址 Eeprom.data = ‘s’;//数据

         Ioctl(fd,I2C_WRITE_CMD,&eeprom)

I2C设备驱动：eeprom_ioctl, eeprom_read,………;

1.    只关注硬件外设； 2.只关注硬件外设操作的数据信息； 设备地址、设备片内地址 设备的数据

2.    I2C设备驱动利用内核提供的相关操作方法，将以上数据信息发送给I2C的总线驱动，由I2C总线驱动来实现硬件上面的数据传输！

内核提供的操作接口：1.i2c_transfer();//老式接口 SMBUS接口；//新式接口，兼容老式接口

作用：上一层的I2C设备驱动利用这些接口函数，将I2C设备驱动要访问的数据信息（设备地址、片内地址、数据）丢给I2C总线驱动来实现硬件的总线传输！

I2C总线驱动：1.管理的设备对象仅仅I2C控制器 I2C硬件控制器集成在CPU的内容，访问I2C控制器就通过寄存器来进行，类似串口控制器，nandflash控制器，由硬件帮你发时序！

3.    I2C总线驱动启动硬件的时序，然后根据I2C设备驱动发来的数据信息（设备地址、片内地址、数据）最终完成I2C的硬件传输。

利用I2C实现I2C外设的驱动重点涉及两个驱动：I2C总线驱动和I2C设备驱动。

1.    I2C总线驱动：管理的对象是I2C控制器，只负责硬件的传输数据，这个驱动一般都是芯片公司在提供的linux内核源码中，只需配置内核添加I2C总线驱动即可：

DEVICE DRIVERàI2C SupportàI2C hardware bus support-><*>s3c2410 i2c drivers

I2C总线驱动：drivers/i2c/buses/i2c-s3c.c

2.    i2C设备驱动：实际开发只需关注I2C外设的驱动，就是I2C设备驱动，只需关注外设的操作的数据信息（设备地址、片内地址、数据）

5.2利用I2C驱动框架实现I2C设备驱动。

I2C设备驱动实现利用了内核分离的思想，采用虚拟总线的形式来管理I2C设备驱动，具体如下：

（1）首先linux内核已经帮你定义好了一个I2C的虚拟总线（i2c_bus_type），在这个总线上维护者两个链表：dev链表和drv链表

（2）dev链表存放硬件信息，每一个节点的对应的数据类型是struct i2c_client,用这个结构体来装载硬件信息。每当向内核添加一个硬件节点时，内核帮你遍历drv链表，取出drv链表每一个软件节点，根据硬件节点的name和软件节点的id_table中的name进行匹配，如果匹配成功，说明硬件找到了软件，然后调用软件节点的probe函数，然后将匹配成功的硬件节点的首地址传递给probe函数，供probe函数获取硬件信息；

（3）drv链表存放软件信息，每一个节点的对应的数据类型是struct_i2c_driver，用这个结构体来装载软件信息（fops）。每当向内核添加一个软件节点时，内核会帮你遍历dev链表，取出dev链表每一个硬件节点，根据硬件节点的name和软件节点的id_table中的name进行匹配，如果匹配成功，说明软件找到了硬件，然后调用软件节点的probe函数，然后将匹配成功的硬件节点首地址传递给probe函数，供probe函数获取硬件信息；

（4）i2c硬件的信息：关键是i2c设备地址，因为I2C设备地址有可能由原理图决定。

总结；实现一个I2C设备驱动关键围绕着i2c_client和i2c_driver。

[c] view plain copy

struct i2c_client {  

unsigned short flags;/* div., see below 读写标志 */   

unsigned short addr;/* chip address - NOTE: 7bit 设备地址7bit*//* addresses are   

char name[I2C_NAME_SIZE];//用于匹配  

struct i2c_adapter *adapter; /* the adapter we sit on适配器，4个总线*/   

struct i2c_driver *driver; /* and our access routines软件节点*/   

struct device dev;/* the device structure platform_data来存自己定义的硬件信息 */   

int irq;/* irq issued by device 中断号 */   

struct list_head detected; //链表   

这个结构体不会像platform_device显示的需要自己去分配，初始化和注册，这个工作linux内核已经帮你实现，甚至注册的时候进行匹配，都是linux内核来帮你实现！

问：如果linux内核帮你实现分配初始化i2c_client，内核如何知道我要的操作的设备地址，自己的私有硬件信息？ Linux内核提供了另外一个结构体struct i2c_board_info，程序员根据这个结构体来进行对I2C外设的硬件分配初始化和注册，内核会根据i2c_board_info的信息来实现对i2c_client的一系列操作。

问：驱动如何使用i2c_board_info呢？

Struct i2c_board_info{

         Char type[I2C_NAME_SIZE];//用于匹配，最终会赋值给i2c_client的name

         Unsigned short flags; //读写标志

         Unsigned short addrd; //设备地址。最终赋值给i2c_client的addr

         Void *platform_data; //装载自己定义的硬件信息，最终赋值给i2c_client的dev.platform_data

         Int irq; //中断号，最终赋值给i2c_client的irq

}

明确：struct i2c_board_info的分配，初始化和注册三个步骤必须在平台代码中完成，不能以模块加载的形式来实现！ 对struct i2c_board_info的操作本质就是间接的在操作i2c_client。

实现在平台代码中初始化分配i2c_board_info

1. Vimarch/arm/mach-s5pv210/mach-cw21.c 在头文件的后面添加分配i2c_board_info的分配初始化。

2.  

Static structi2c_board_info eeprom[] = {I2C_BOARD_INFO(“at24c02”,0x50)};

说明：I2C_BOARD_INFO:用于初始化i2c_board_info的type和addrat24c02：用于匹配，跟i2c_driver的id_table的name匹配，最终会赋值给i2c_client的name。

 0x50:设备地址，最终会赋值给i2c_client.addr。

2.同样在平台代码的初始化函数中(.init_machine =smdkc110_machine_init),所在函数smdkc110_machine_init中调用I2c_register_board_info注册i2c_board_info信息到内核中！i2c_regster_board_info(int busnum, struct i2c_board_info const*info, unsigned n)

函数功能：注册分配初始化好的i2c_board_info对象到内核中，内核根据这个信息初始化注册i2c_client;

参数：busnum：i2c外设所在的I2C总线编号，cw210开发板的at’24c02通过原理图可知连接到CPU的第一个I2C总线上，所以这个参数指定为0，info:执行分配初始化的i2_board_info对象数组（=eeprom）

N：对象数组的个数RRAY_SIZE(eeprom）

注意：一旦向内核注册I2c_board_info设备信息，内核在初始化时会根据此信息帮你分配初始化和注册一个i2c_client.

2177i2c_register_board_info(0, i2c-devs0, ARRAY_SIZE(i2c_devs0));

2178i2c_register_board_info(1, i2c-devs1, ARRAY_SIZE(i2c_devs1));

2179i2c_register_board_info(2, i2c-devs2, ARRAY_SIZE(i2c_devs2));

2180i2c_register_board_info(5, i2c-devs3, ARRAY_SIZE(i2c_devs5));

2181 //注册atc24c02的硬件对象i2c_board_info

2182i2c_register_board_info(0, eeprom, ARRAY_SIZE(eeprom));

Struct i2c_driver怎样使用？

1.分配初始化struct i2c_driver

         Struct i2c_driver eeprom_drv = {

                   .driver = {

                            .name= “tarena”//不重要

},

.probe = at24c02_probe, //匹配成功调用

.remove = at24c02, //卸载软件节点调用

.id_table = 其中的name用于匹配

}

2.调用i2c_add_driver注册 3.调用i2c_del_driver卸载。

案例：SMBUS接口作用：I2C设备驱动利用SMBUS相关的函数，能够将I2C设备驱动涉及的数据信息丢给I2C总线驱动，然后I2C硬件传输！本质上就是I2C设备驱动和I2C总线驱动的一个数据交互的桥梁！

SMBUS接口说明文档：内核源码\Documentation\i2c\smbus-protocol找到对应的SMBUS接口函数。

SMBUS接口函数的使用。

1.找到打开smbus-protol说明文档 2.打开芯片的时序图 3.根据时序图在smbus-protol文档中找到对应的操作函数 4.想尽一切办法看这个函数的说明或者参考别人的代码。

//写数据到EEPROM中

//                        addr,data

         App:ioctl---àaddr,data

I2C设备驱动：at24c02_i2c_write---à设备地址，addr，data

内核：SMBUS--à设备地址，addr,data

总线驱动--àSTART> 设备地址写ACK addr ACK data ACK STOP

1.使用SMBUS接口将数据（地址、数据、设备地址（G_CLIENT->addr））,丢给I2C总线驱动，启动I2C总线驱动的硬件传输。

1.1 打开SMUBS文档：内核源码\Documentation\i2c\smbus-protocol找到对应的SMBUS接口函数。

1.2打开芯片操作时序图

1.3根据时序图找到对应的SMBUS操作函数

1.4将ADDR，data和匹配成功的i2c_client通过函数丢给I2C总线驱动然后启动I2C总线的硬件传输

i2c_smbus_write_byte_data(g_client, addr, data);

从EEPROM读取数据

//               addr

//               app:ioctlà data

                   I2C设备驱动：at24c02_i2c_readà data 设备地组织：addr

                   内核：SMBUE—》data设备地址，addr

                   总线驱动-àSTART设备地址写ACK addr ACK START 设备地址 读ACK返回数据data

 NOACK STOP -àdata