i2c系列之一i2c协议及裸板操作

一、几个重要的对象

1. I2C总线

struct bus_type i2c_bus_type = {
	.name		= "i2c",
	.match		= i2c_device_match,
	.probe		= i2c_device_probe,
	.remove		= i2c_device_remove,
	.shutdown	= i2c_device_shutdown,
	.pm		= &i2c_device_pm_ops,
};

I2C总线对应着/bus下的一条总线，这个i2c总线结构体管理着i2c设备与I2C驱动的匹配，删除等操作，I2C总线会调用i2c_device_match函数看I2C设备和I2C驱动是否匹配，如果匹配就调用i2c_device_probe函数，进而调用I2C驱动的probe函数

特别提示：i2c_device_match会管理I2C设备和I2C总线匹配规则，这将和如何编写I2C驱动程序息息相关

2. I2C驱动

struct i2c_driver {
	int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); //probe函数
	struct device_driver driver; //表明这是一个驱动
	const struct i2c_device_id *id_table; //要匹配的从设备信息(名称)
	int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *); //设备探测函数
	const unsigned short *address_list; //设备地址
	struct list_head clients; //设备链表
};

对应的是I2C驱动程序

3.I2C设备

struct i2c_client {
	unsigned short addr; //设备地址
	char name[I2C_NAME_SIZE]; //设备名称
	struct i2c_adapter *adapter; //设配器，值I2C控制器
	struct i2c_driver *driver; //设备对应的驱动
	struct device dev; //表明这是一个设备
	int irq; //中断号
	struct list_head detected; //节点
};

对应的是I2C设备

4.I2C设配器

I2C设配器是什么？

经过上面的介绍，知道有I2C驱动和I2C设备，我们需要通过I2C驱动去和I2C设备通讯，这其中就需要一个I2C设配器，I2C设配器对应的就是SOC上的I2C控制器

struct i2c_adapter {
	unsigned int id; //设备器的编号
	const struct i2c_algorithm *algo; //算法，发送时序
	struct device dev; //表明这是一个设备
};

其中的i2c_algorithm是算法的意思，对应的就是如何发送I2C时序

struct i2c_algorithm {
    /* 作为主设备时的发送函数 */
	int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,
			   int num);

    /* 作为从设备时的发送函数 */
	int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,
			   unsigned short flags, char read_write,
			   u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);
};

小结

I2C驱动有4个重要的东西，I2C总线、I2C驱动、I2C设备、I2C设备器

• I2C总线：维护着两个链表（I2C驱动、I2C设备），管理I2C设备和I2C驱动的匹配和删除等
• I2C驱动：对应的就是I2C设备的驱动程序
• I2C设备：是具体硬件设备的一个抽象
• I2C设配器：用于I2C驱动和I2C设备间的通用，是SOC上I2C控制器的一个抽象

以注册I2C驱动为例，简单讲解I2C总线的运行机制（I2C设备道理相同）

1. 注册I2C驱动
2. 将I2C驱动添加到I2C总线的驱动链表中
3. 遍历I2C总线上的设备链表，根据i2c_device_match函数进行匹配，如果匹配调用i2c_device_probe函
4. i2c_device_probe函数会调用I2C驱动的probe函数

经过上面的讲解，对I2C驱动框架应该有了基本的了解了，下面通过分析内核源码来深入学习I2C驱动框架

二、内核源码分析

1.注册I2C驱动

编写I2C驱动程序时，通过调用i2c_add_driver函数来注册驱动，下面来分析这个函数发生了什么

static inline int i2c_add_driver(struct i2c_driver *driver)
{
	return i2c_register_driver(THIS_MODULE, driver);
}

int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
{
    /*
    	struct bus_type i2c_bus_type = {
			.name		= "i2c",
			.match		= i2c_device_match,
			.probe		= i2c_device_probe,
			.remove		= i2c_device_remove,
			.shutdown	= i2c_device_shutdown,
			.pm		= &i2c_device_pm_ops,
		};
    */
    driver->driver.bus = &i2c_bus_type; // 绑定总线
    
    driver_register(&driver->driver); // 向总线注册驱动
    
    /* 遍历I2C总线上所有设备，调用__process_new_driver函数 */
    bus_for_each_dev(&i2c_bus_type, NULL, driver, __process_new_driver);
}

上面的程序可以看到，在调用i2c_add_driver后做了三件事，第一绑定总线，要记住这个总线结构体，第二向总线注册驱动，这算是I2C驱动框架的重点，第三遍历总线的设备，调用__process_new_driver函数

乍一看，会绝对第三件事比较重要，好像匹配规则在这里面，其实这里面有一部分匹配规则，但并不是最重要的，最重要的是在driver_register函数中

下面将重点分析driver_register函数

int driver_register(struct device_driver *drv)
{
    bus_add_driver(drv); // 将驱动添加到总线上
}

int bus_add_driver(struct device_driver *drv)
{
    driver_attach(drv);
    
    /* 将驱动添加到总线的驱动链表(bus->p->klist_drivers) */
    klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers); 
}

//接下来分析driver_attach(drv)这个函数，这个函数是重头
int driver_attach(struct device_driver *drv)
{
	return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
}

int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start,
		     void *data, int (*fn)(struct device *, void *))
{
    /* 遍历总线的所有设备链表(bus->p->klist_devices)的所有设备，执行fn函数 */
	while ((dev = next_device(&i)) && !error)
		error = fn(dev, data);
}
回到上一个函数，我们知道bus_for_each_dev对应的fn函数是__driver_attach函数，也就是说，
driver_attach函数会遍历总线上的所有设备执行__driver_attach函数，接下面来分析__driver_attach函数：

static int __driver_attach(struct device *dev, void *data)
{
    /* 判断驱动和设备是否匹配 */
	if (!driver_match_device(drv, dev))
		return 0;
    
    /* 如果匹配的话，调用driver_probe_device函数 */
    if (!dev->driver)
		driver_probe_device(drv, dev);
}

首先来看一看driver_match_device函数，通过这个函数我们可以知道匹配规则
static inline int driver_match_device(struct device_driver *drv,
				      struct device *dev)
{
    /* 调用总线的macth函数 */
	return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1;
}

请不要忘了现在的总线式i2c总线，对应的结构体上面已经给出，如下：

struct bus_type i2c_bus_type = {
	.name		= "i2c",
	.match		= i2c_device_match,
	.probe		= i2c_device_probe,
	.remove		= i2c_device_remove,
	.shutdown	= i2c_device_shutdown,
	.pm		= &i2c_device_pm_ops,
};

drv->bus->match对应的就是i2c_bus_type.match：

static int i2c_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    struct i2c_client	*client = i2c_verify_client(dev); // 有device获得i2c_client
    struct i2c_driver	*driver = to_i2c_driver(drv); // 有device_driver获得i2c_driver
    
    /* 调用i2c_match_id进行匹配 */
    return i2c_match_id(driver->id_table, client) != NULL;
}

driver->id_table是什么，来看一看id_table的定义
struct i2c_device_id {
	char name[I2C_NAME_SIZE];
};
其实就是一个字符串，表示设备的名字
i2c_driver中有一个我们自己i2c_device_id数组，用来匹配i2c设备
来看看怎么匹配

static const struct i2c_device_id *i2c_match_id(const struct i2c_device_id *id,
						const struct i2c_client *client)
{
    /* 字符串匹配 */
	strcmp(client->name, id->name);   
}
可以知道匹配规则是
strcmp(i2c_client->name, i2c_driver->i2c_device_id->name); 
就是匹配驱动和设备中的名字

好了，现在弄清楚匹配规则了，下面来看一看如果匹配成功后要干嘛
回到下面这个函数

static int __driver_attach(struct device *dev, void *data)
{
    /* 判断驱动和设备是否匹配 */
	if (!driver_match_device(drv, dev))
		return 0;
    
    /* 如果匹配的话，调用driver_probe_device函数 */
    if (!dev->driver)
		driver_probe_device(drv, dev);
}
可以看到匹配成功后，会调用driver_probe_device函数，下面看一看这个函数
int driver_probe_device(struct device_driver *drv, struct device *dev)
{
	really_probe(dev, drv);
}

static int really_probe(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    /* 调用了总线的probe函数 */
    dev->bus->probe(dev);
}
struct bus_type i2c_bus_type = {
	.name		= "i2c",
	.match		= i2c_device_match,
	.probe		= i2c_device_probe,
	.remove		= i2c_device_remove,
	.shutdown	= i2c_device_shutdown,
	.pm		= &i2c_device_pm_ops,
};
可以知道，总线的probe函数是i2c_device_probe
static int i2c_device_probe(struct device *dev)
{
    /* 调用i2c驱动的probe函数 */
    driver->probe(client, i2c_match_id(driver->id_table, client));
}
通过上面的分析，可以知道i2c总线进制，当向内核注册i2c驱动时，会将i2c驱动添加到总线的链表中，
遍历总线上所有设备，通过i2c_client->name, i2c_driver->i2c_device_id->name进行字符串匹配，
如果匹配，就调用驱动程序的probe函数

继续回到上面的程序

int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
{
    /*
    	struct bus_type i2c_bus_type = {
			.name		= "i2c",
			.match		= i2c_device_match,
			.probe		= i2c_device_probe,
			.remove		= i2c_device_remove,
			.shutdown	= i2c_device_shutdown,
			.pm		= &i2c_device_pm_ops,
		};
    */
    driver->driver.bus = &i2c_bus_type; // 绑定总线
    
    driver_register(&driver->driver); // 向总线注册驱动
    
    /* 遍历I2C总线上所有设备，调用__process_new_driver函数 */
    bus_for_each_dev(&i2c_bus_type, NULL, driver, __process_new_driver);
}

刚刚我们分析了driver_register，下面来分析一下bus_for_each_dev
其实bus_for_each_dev蕴含着i2c总线的另外一种匹配规则，不过不经常使用

int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start,
		     void *data, int (*fn)(struct device *, void *))
{
    /* 遍历总线上的设备链表(bus->p->klist_devices)的所有设备，调用fn函数 */
	while ((dev = next_device(&i)) && !error)
		error = fn(dev, data);	
}

由上面可知，fn函数对应的是__process_new_driver函数
static int __process_new_driver(struct device *dev, void *data)
{
    /* data对应驱动，to_i2c_adapter(dev)对应设备对应的适配器 */
	return i2c_do_add_adapter(data, to_i2c_adapter(dev));
}

static int i2c_do_add_adapter(struct i2c_driver *driver,struct i2c_adapter *adap)
{
	i2c_detect(adap, driver);
}

static int i2c_detect(struct i2c_adapter *adapter, struct i2c_driver *driver)
{
    address_list = driver->address_list; // 获取驱动指定的地址
    
    temp_client->adapter = adapter; // 绑定好设配器（I2C控制器）
    
    /* 使用该是适配器，去探测所有地址 */
    for (i = 0; address_list[i] != I2C_CLIENT_END; i += 1)
        i2c_detect_address(temp_client, driver);
}

static int i2c_detect_address(struct i2c_client *temp_client,struct i2c_driver *driver)
{
    i2c_check_addr_busy(adapter, addr);
        
    i2c_default_probe(adapter, addr);
    
    /* 如果能到达这里，就说明该i2c控制器对应的总线上，该地址存在，调用驱动的detect函数进一步确认 */
    driver->detect(temp_client, &info);
    
    /* 如果驱动程序确认的话，生成i2c设备 */
    client = i2c_new_device(adapter, &info);
    list_add_tail(&client->detected, &driver->clients); // 将该设备添加到驱动程序的链表中
}
以上的做法是，遍历总线上的所有设备，拿到设备对应的设备器（I2C控制器），去给总线发送驱动指定好的地址，
如果地址存在的话，就调用驱动的detect函数

为什么会有这种方式？
如果在不知道i2c设备在哪一条总线的情况下，这种方式就发挥了作用

上面分析了注册I2C驱动，下面来分析注册I2C设备

2.注册I2C设备

内核通过i2c_new_device注册i2c设备

struct i2c_client *i2c_new_device(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_board_info const *info)

由上面函数可知需要指定i2c设配器和设备信息：

i2c_adapter可以通过i2c_get_adapter来获取：

struct i2c_adapter *i2c_get_adapter(int id)

i2c_get_adapter可以获取哪个i2c控制器，获取哪一个i2c控制器取决于你的i2c设备接在哪条i2c总线上

i2c_board_info结构体描述了设备的硬件信息

struct i2c_board_info {
	char		type[I2C_NAME_SIZE]; // 设备名称，用于与驱动匹配
	unsigned short	addr; // 设备地址
	int		irq; // 中断号
};

下面来接着详细分析i2c_new_device函数：

struct i2c_client * i2c_new_device(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_board_info const *info)
{
    struct i2c_client	*client;
    
    client->adapter = adap; // 设定设备的设配器
    client->addr = info->addr; // 地址
    client->irq = info->irq; // 中断号
    
    client->dev.bus = &i2c_bus_type; // 绑定总线
    
    device_register(&client->dev); // 向总线注册设备
    
    return client;
}

下面分析device_register的过程

int device_register(struct device *dev)
{
	device_initialize(dev);
	return device_add(dev);
}

int device_add(struct device *dev)
{
    bus_add_device(dev);
    
    bus_probe_device(dev);
}

int bus_add_device(struct device *dev)
{
    /* 将设备添加到总线的设备链表中(bus->p->klist_devices) */
    klist_add_tail(&dev->p->knode_bus, &bus->p->klist_devices);
}

void bus_probe_device(struct device *dev)
{
	device_attach(dev);
}

int device_attach(struct device *dev)
{
    bus_for_each_drv(dev->bus, NULL, dev, __device_attach);
}

int bus_for_each_drv(struct bus_type *bus, struct device_driver *start,
		     void *data, int (*fn)(struct device_driver *, void *))
{
    /* 遍历总线的驱动链表上的所有驱动，调用fn函数 */
	while ((drv = next_driver(&i)) && !error)
		error = fn(drv, data);
}

static int __device_attach(struct device_driver *drv, void *data)
{
    /* 判断是够匹配 */
	if (!driver_match_device(drv, dev))
		return 0;

	return driver_probe_device(drv, dev);
}

driver_match_device和driver_probe_device函数跟上面分析的完全相同，这里不再累赘
至此注册i2c设备已经分析完，流程为，注册i2c设备，将i2c加入总线的设备链表中，调用总线的匹配函数判断是够匹配，如果匹配，就调用驱动的probe函数

内核还有静态一种注册i2c设备的方法
通过i2c_register_board_info注册，起始最后还是调用了i2c_new_device，这里简单分析一下

int __init i2c_register_board_info(int busnum,struct i2c_board_info const *info, unsigned len)
{
    list_add_tail(&devinfo->list, &__i2c_board_list); // 将设备信息添加到链表中
}

static void i2c_scan_static_board_info(struct i2c_adapter *adapter)
{
	list_for_each_entry(devinfo, &__i2c_board_list, list) {
		if (devinfo->busnum == adapter->nr
				&& !i2c_new_device(adapter,
						&devinfo->board_info))
	}
}

3.驱动如何使用设配器给设备发送数据

通过上面的分析，我们已经知道了i2c总线的工作机制，下面来看看当i2c设备和i2c驱动匹配之后，驱动程序要怎么去和设备通讯

驱动程序一般调用i2c_transfer来发送信息：

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)

需要指定i2c设配器
上面说过驱动程序是 i2c设配器向设备发送数据的，那么i2c_transferv底层肯定是通过i2c_adapter发送数据的

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)
{
    adap->algo->master_xfer(adap, msgs, num); // 通过设配器发送数据
}

总结

i2c总线维护着两个链表，一个驱动链表，一个设备链表，每当注册进一个驱动（或设备），就会将其添加到总线上相应的链表上，然后遍历总线的设备(或驱动)链表的所有设备(或驱动)，通过总线的匹配函数判断是够匹配，如果匹配，则调用驱动的probe函数，然后我们就可以在probe函数注册字符设备，创建设备节点，实现fops集等等

最后

以上就是清爽雪碧为你收集整理的Linux I2C总线（一）I2C驱动框架一、几个重要的对象二、内核源码分析总结的全部内容，希望文章能够帮你解决Linux I2C总线（一）I2C驱动框架一、几个重要的对象二、内核源码分析总结所遇到的程序开发问题。

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