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I2C總線是有Philips公司開發(fā)的，它是一種比較簡(jiǎn)單的總線，接線簡(jiǎn)單：只有兩根線數(shù)據(jù)線(SCL)和時(shí)鐘線(SDA)，控制簡(jiǎn)單。所以一些封裝較小的器件多使用I2C總線，常見的使用I2C總線的設(shè)備有EEPROM、rtc及一些傳感器。這里我們介紹下基于linux的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫有多種方式:
一種是直接操作CPU的I2C控制器，正對(duì)于某一個(gè)設(shè)備寫一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較直接，不需要太依賴于內(nèi)核相關(guān)配置，但是這類設(shè)備驅(qū)動(dòng)依賴CPU，可移植性較差。
一種是基于linux內(nèi)核I2C子系統(tǒng)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫，一般內(nèi)核會(huì)繼承相關(guān)CPU的控制器驅(qū)動(dòng)即使沒(méi)有也可以通過(guò)技術(shù)支持可以獲得，所以我們只需要使用linux下I2C子系統(tǒng)提供的相關(guān)接口來(lái)構(gòu)建我們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)就行了。這樣我們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)并不依賴于某一個(gè)特定的CPU，可移植性較好。
在寫驅(qū)動(dòng)之前我們先了解下I2C總線中幾個(gè)比較重要的概念：
1、 地址
I2C總線上可以連接多個(gè)相同或不同的設(shè)備，總線怎么樣才能知道數(shù)據(jù)應(yīng)該發(fā)送到那個(gè)設(shè)備呢，這里需要一個(gè)地址來(lái)唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備。I2C設(shè)備地址有7位地址和10位地址，那么這個(gè)地址是怎么來(lái)的呢，其實(shí)這個(gè)地址我們可以通過(guò)相關(guān)的芯片手冊(cè)獲得，這里通過(guò)一個(gè)EEPROM和一個(gè)溫度傳感器來(lái)說(shuō)明。
EEPROM(AT24C02/04/08/16)芯片手冊(cè)上有如下說(shuō)明：
再結(jié)合原理圖
在通過(guò)芯片手冊(cè)我們可以知道EEPROM的地址的前四位為1010，通過(guò)原理圖A0/A1/及NC的狀態(tài)我們可以知道后三位為000，這樣我們就知道這個(gè)EEPROM在I2C總線上的地址為7’b1010000。
同樣我們可以通過(guò)如下內(nèi)容知道溫度傳感器的地址為7’b1001000
芯片手冊(cè)：
原理圖：
2、 時(shí)序
不同的I2C設(shè)備有不同的時(shí)序，我們也可以說(shuō)是不同的協(xié)議，我們需要了解一些時(shí)序相關(guān)的東西，我們發(fā)送數(shù)據(jù)是什么時(shí)候開始什么時(shí)候結(jié)束，怎么發(fā)送都由這個(gè)時(shí)序決定。
開始/停止
完整時(shí)序
現(xiàn)在的CPU多數(shù)都有I2C控制器，我們不需要太關(guān)心具體時(shí)序的實(shí)現(xiàn)，這些都由控制器去完成，并且內(nèi)核已經(jīng)集成多數(shù)CPU的I2C控制器驅(qū)動(dòng)，我們寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)就是按照I2C子系統(tǒng)的要求，為它提供需要的數(shù)據(jù)即可。
I2C子系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)有兩種模式，一種是用戶模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)依賴I2C子系統(tǒng)中的i2c-dev這個(gè)驅(qū)動(dòng)，我們需要在應(yīng)用程序去封裝數(shù)據(jù)，這需要應(yīng)用程序的開發(fā)人員具備相當(dāng)?shù)挠布A(chǔ)，另外一種是普通的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。分別看下這兩種方法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
用戶模式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：
相關(guān)結(jié)構(gòu)體：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};
struct i2c_rdwr_ioctl_data {
struct i2c_msg *msgs; /* pointers to i2c_msgs */
__u32 nmsgs; /* number of i2c_msgs */
};
上面就是我們向底層傳遞的結(jié)構(gòu)，我們需要把我們的時(shí)序封裝成這樣的結(jié)構(gòu)然后傳遞下去就行了。
AT24c04時(shí)序
轉(zhuǎn)化為消息結(jié)構(gòu)為:
e2prom_data.nmsgs=2;
(e2prom_data.msgs[0]).len=1; //e2prom 目標(biāo)數(shù)據(jù)的地址
(e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50; // e2prom 設(shè)備地址
(e2prom_data.msgs[0]).flags=0; //write
(e2prom_data.msgs[0]).buf=(unsigned char*)malloc(2);
(e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x0; //e2prom數(shù)據(jù)地址
(e2prom_data.msgs[1]).len=1; //讀出的數(shù)據(jù)
(e2prom_data.msgs[1]).addr=0x50; // e2prom 設(shè)備地址
(e2prom_data.msgs[1]).flags=I2C_M_RD; //read
(e2prom_data.msgs[1]).buf=(unsigned char*)malloc(1);//存放返回值的地址。
(e2prom_data.msgs[1]).buf[0]=0; //初始化讀緩沖
這里我們封裝了兩個(gè)消息，在這個(gè)時(shí)序中操作模式改變了，所以我們必須封裝為兩個(gè)時(shí)序，如果操作模式不變封裝一個(gè)消息就可以了比如如下時(shí)序：
e2prom_data.nmsgs=1;
(e2prom_data.msgs[0]).len=1; //e2prom 目標(biāo)數(shù)據(jù)的地址
(e2prom_data.msgs[0]).addr=0x50; // e2prom 設(shè)備地址
(e2prom_data.msgs[0]).flags=0; //write
(e2prom_data.msgs[0]).buf=(unsigned char*)malloc(1);
(e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x0; //e2prom數(shù)據(jù)地址
接著我們可以看看別的設(shè)備的時(shí)序大家可以發(fā)現(xiàn)大同小異！
我們把剛才封裝的消息通過(guò)ioctl發(fā)下去就能夠完成數(shù)據(jù)的讀寫了。例程如下：
#include <stdio.h>
#include <linux/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <errno.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
int main()
{
int fd,ret;
struct i2c_rdwr_ioctl_data e2prom_data;
fd=open("/dev/i2c-0",O_RDWR);
if(fd<0)
{
perror("open error");
}
e2prom_data.nmsgs=2;
e2prom_data.msgs=(struct i2c_msg*)malloc(e2prom_data.nmsgs*sizeof(struct i2c_msg));
if(!e2prom_data.msgs)
{
perror("malloc error");
exit(1);
}
ioctl(fd,I2C_TIMEOUT,1);/*超時(shí)時(shí)間*/
ioctl(fd,I2C_RETRIES,2);/*重復(fù)次數(shù)*/
sleep(1);
e2prom_data.nmsgs=2;
(e2prom_data.msgs[0]).len=1; //e2prom 目標(biāo)數(shù)據(jù)的地址
(e2prom_data.msgs[0]).addr=0x48; // e2prom 設(shè)備地址
(e2prom_data.msgs[0]).flags=0; //write
(e2prom_data.msgs[0]).buf=(unsigned char*)malloc(2);
(e2prom_data.msgs[0]).buf[0]=0x0; //e2prom數(shù)據(jù)地址
(e2prom_data.msgs[1]).len=2; //讀出的數(shù)據(jù)
(e2prom_data.msgs[1]).addr=0x48; // e2prom 設(shè)備地址
(e2prom_data.msgs[1]).flags=I2C_M_RD;//read
(e2prom_data.msgs[1]).buf=(unsigned char*)malloc(2);//存放返回值的地址。
(e2prom_data.msgs[1]).buf[0]=0; //初始化讀緩沖
(e2prom_data.msgs[1]).buf[1]=0; //初始化讀緩沖
ret=ioctl(fd,I2C_RDWR,(unsigned long)&e2prom_data);
if(ret<0)
{
perror("ioctl error2");
}
printf("%x",(e2prom_data.msgs[1]).buf[0]);
printf("%x\n",(e2prom_data.msgs[1]).buf[1]);
close(fd);
return 0;
}
前面我們說(shuō)了如何I2C用戶模式驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)基于I2C子系統(tǒng)，但是他對(duì)于應(yīng)用程序開發(fā)人員的要求較高，需要應(yīng)用程序開發(fā)人員了解硬件的一些東西，比如時(shí)序，地址等等，而多數(shù)時(shí)候應(yīng)用程序開發(fā)人員是按照操作文件的方法操作設(shè)備，所以我們更希望用一些更簡(jiǎn)單的接口去訪問(wèn)。也就是我們今天的內(nèi)容——基于I2C子系統(tǒng)的字符驅(qū)動(dòng)。
I2C子系統(tǒng)的代碼分為三部分如圖：
Host：主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)
Device：設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼
Core: 核心代碼，提供設(shè)備與控制器的接口
一、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)
Linux下主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，大多數(shù)是BSP提供的，這里不多說(shuō)，簡(jiǎn)單說(shuō)下它主要干的活。I2C主機(jī)控制器在內(nèi)核里又叫適配器，用結(jié)構(gòu)i2c_adapter描述。
struct i2c_adapter {
struct module *owner;
unsigned int class; /* classes to allow probing for */
const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */
……
};
struct i2c_algorithm 提供設(shè)備訪問(wèn)控制器的接口，定義如下：
struct i2c_algorithm {
int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,int num);
int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,unsigned short flags, char read_write,u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);
u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);
};
其中master_xfer就是我們給設(shè)備端提供的接口，這部分內(nèi)容按照芯片手冊(cè)中寄存器的操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
最終我們將i2c_adapter注冊(cè)到系統(tǒng)中，使用如下函數(shù)：
int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *);
二、核心代碼
這部分就不說(shuō)了，剛才我們介紹的函數(shù)全部是核心代碼提供，它主要是提供標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的接口。
三、設(shè)備代碼
基于I2C的字符驅(qū)動(dòng)的編寫首先我們需要了解幾個(gè)特定的結(jié)構(gòu)。
1、i2c_bus_type
i2c總線結(jié)構(gòu)定義了一些總線相關(guān)的方法，這里我們關(guān)系的是i2c_driver和i2c_client的配備規(guī)則，為什么匹配呢，i2c_client攜帶硬件信息，而i2c_driver只負(fù)責(zé)操作設(shè)備而不管操作的是那個(gè)設(shè)備它需要的硬件信息有i2c_client提供，所以需要i2c_client和i2c_driver協(xié)同操作，而一個(gè)系統(tǒng)中i2c_driver和i2c_client都可能有多個(gè)，如何得到自己的另一半就是我所說(shuō)的匹配規(guī)則，i2c_bus_type的匹配規(guī)則定義如下：
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,
};
static int i2c_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
struct i2c_client *client = i2c_verify_client(dev);
struct i2c_driver *driver;
if (!client)
return 0;
/* Attempt an OF style match */
if (of_driver_match_device(dev, drv))
return 1;
driver = to_i2c_driver(drv);
/* match on an id table if there is one */
if (driver->id_table)
return i2c_match_id(driver->id_table, client) != NULL;
return 0;
}
我們發(fā)現(xiàn)i2c總線的匹配規(guī)則是id或name兩種，id優(yōu)先級(jí)高。
2、板級(jí)結(jié)構(gòu)：
struct i2c_board_info {
char type[I2C_NAME_SIZE]; //芯片類型，其實(shí)也就是名字，用來(lái)匹配
unsigned short flags; //標(biāo)志位，一些特定的標(biāo)志
unsigned short addr; //地址，從設(shè)備地址，不包括讀寫位
void *platform_data; //用來(lái)傳遞一些私有數(shù)據(jù)
struct dev_archdata *archdata; //同上
struct device_node *of_node;
int irq;
};
板子上沒(méi)有一個(gè)I2C的設(shè)備，我們就要注冊(cè)一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)體，到內(nèi)核里邊，這部分代碼一般添加在平臺(tái)代碼里邊，注冊(cè)函數(shù)如下：
i2c_register_board_info(int busnum, struct i2c_board_info const *info,unsigned n)；
busnum 現(xiàn)在很多CPU有多條I2C總線，這個(gè)參數(shù)表示第幾條總線
info 是一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，表示我們要注冊(cè)的I2C設(shè)備
n 表示我們注冊(cè)了幾個(gè)I2C設(shè)備
通過(guò)上面函數(shù)就能把設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)中。結(jié)構(gòu)如圖：
3、i2c_client
這個(gè)結(jié)構(gòu)我們不需要操作，是操作系統(tǒng)即核心代碼自動(dòng)完成，這個(gè)過(guò)程其實(shí)是在注冊(cè)i2c_adapter的時(shí)候完成的。即在函數(shù)i2c_add_numbered_adapter中完成，最終i2c_client攜帶者i2c_board_info和i2c_adapter的信息。
4、i2c_driver
這部分代碼主要負(fù)責(zé)注冊(cè)i2c_driver和匹配相應(yīng)的i2c_client。I2c_driver定義如下：
struct i2c_driver {
int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);
int (*remove)(struct i2c_client *);
struct device_driver driver;
const struct i2c_device_id *id_table;
……
};
注冊(cè)函數(shù)如下：
int i2c_add_driver(struct i2c_driver *driver)；
這個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)注冊(cè)i2c_driver并匹配i2c_client，當(dāng)匹配到了對(duì)于的i2c_client，probe函數(shù)被執(zhí)行，并且i2c_client被以參數(shù)的形式傳遞過(guò)來(lái)。我們可以通過(guò)i2c_client提供的硬件信息和操作接口操作我們想要的設(shè)備。
5、數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};
消息的封裝與上節(jié)用戶模式驅(qū)動(dòng)相似，封裝好消息使用如下函數(shù)提交給核心代碼，最終通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)發(fā)送給具體的設(shè)備。
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);
adap 適配器，由client->adapter獲得。
msgs 消息
num 消息個(gè)數(shù)
通過(guò)上面內(nèi)容我們就可以構(gòu)建我們的基于linux下i2c子系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)了，例程如下：
平臺(tái)代碼添加：
static struct i2c_board_info i2c_devs0[] __initdata = {
{I2C_BOARD_INFO("lm75", 0x48),},
};
i2c_register_board_info(0, i2c_devs0, ARRAY_SIZE(i2c_devs0));
驅(qū)動(dòng)代碼:
#include < linux/module.h>
#include < linux/kernel.h>
#include < linux/init.h>
#include < linux/fs.h>
#include < linux/cdev.h>
#include < linux/i2c.h>
#include < linux/slab.h>
#include < asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE ("GPL");
#define LM75_REG_CONF 0x01
static const u8 LM75_REG_TEMP[3] = {
0x00, /* input */
0x03, /* max */
0x02, /* hyst */
};
struct lm75_data
{
u16 temp[3]; /* Register values,
0 = input
1 = max
2 = hyst */
};
static int lm75_major = 250;
static int lm75_minor = 0;
static int number_of_devices = 1;
static dev_t devno = 0;
static struct cdev cdev;
static struct i2c_client *new_client;
struct lm75_data *data;
static int lm75_read_value(struct i2c_client *client)
{
struct i2c_msg msgs[2];
int status;
char buf1[2];
char buf2[2];
msgs[0].len = 1;
msgs[0].addr = client->addr; // lm75 設(shè)備地址
msgs[0].flags = 0;//write
msgs[0].buf = buf1;
msgs[0].buf[0] = LM75_REG_TEMP[0];
msgs[1].len = 2;//讀出的數(shù)據(jù)
msgs[1].addr = client->addr;// lm75 設(shè)備地址
msgs[1].flags = I2C_M_RD;//read
msgs[1].buf = buf2;//存放返回值的地址。
status = i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);
if(status < 0)
return status;
printk("1 = %2x %2x\n", buf2[0], buf2[1]);
return (buf2[0] << 8) | buf2[1];
}
static ssize_t lm75_read(struct file *file, char __user *buff, size_t count, loff_t *offset)
{
int status;
status = lm75_read_value(new_client);
if(status < 0)
{
return status;
}
printk("status = %x\n", status);
if(copy_to_user(buff, (char *)&status, sizeof(status)))
return -EFAULT;
return 0;
}
static int lm75_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}
static int lm75_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}
static struct file_operations lm75_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = lm75_read,
.open = lm75_open,
.release = lm75_release,
};
static int lm75_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
int ret = 0;
new_client = client;
devno = MKDEV(lm75_major, lm75_minor);
ret = register_chrdev_region(devno, number_of_devices, "lm75");
if(ret)
{
printk("failed to register device number\n");
goto err_register_chrdev_region;
}
cdev_init(&cdev, &lm75_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
ret = cdev_add(&cdev, devno, number_of_devices);
if(ret)
{
printk("failed to add device\n");
goto err_cdev_add;
}
return 0;
err_cdev_add:
unregister_chrdev_region(devno, number_of_devices);
err_register_chrdev_region:
kfree(data);
return ret;
}
static int lm75_remove(struct i2c_client *client)
{
cdev_del(&cdev);
unregister_chrdev_region(devno, number_of_devices);
return 0;
}
enum lm75_type { /* keep sorted in alphabetical order */
lm75,
lm75a,
};
static const struct i2c_device_id lm75_ids[] = {
{ "lm75", lm75, },
{ "lm75a", lm75a, },
{ /* LIST END */ }
};
static struct i2c_driver lm75_driver = {
.driver = {
.name = "lm75",
},
.probe = lm75_probe,
.remove = lm75_remove,
.id_table = lm75_ids,
};
static int __init s5pc100_lm75_init(void)
{
return i2c_add_driver(&lm75_driver);
}
static void __exit s5pc100_lm75_exit(void)
{
i2c_del_driver(&lm75_driver);
}
module_init(s5pc100_lm75_init);
module_exit(s5pc100_lm75_exit);
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