Linux驅動之I2C匯流排裝置以及驅動

逸珺發表於2020-07-12
Linux

[ 導讀] 本文通過閱讀核心程式碼，來梳理一下I2C子系統的整體檢視。在開發I2C裝置驅動程式時，往往缺乏對於系統整體的認識，導致沒有一個清晰的思路。所以從高層級來分析一下I2C系統的設計思路，將有助於設計除錯具體的驅動程式。

I2C/SMBUS基礎

I2C是一種晶片間通訊匯流排技術，最早由Philips設計制定。下面內容參考I2C 2.1 規格書

  • 半雙工通訊方式，通訊採用主/從結構

  • 支援多主模式，下圖來源於I2C 2.0規格書

  • 其內部電氣實現採用集電極開路(Open-collector)/漏極開路(open-drain)結構以實現線與功能，這是匯流排的實現基礎，多晶片通過查詢匯流排狀態實現介質仲裁以實現匯流排控制。

  • 匯流排訊號由兩線實現，序列時鐘線SCL(Serial Clock Line)/序列資料線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
  • 可支援混速模式

  • 不同的速率在硬體設計時需要注意訊號的完整性，I2C匯流排等效電容cx
  • 支援7bit/10bit 兩種晶片地址模式
  • I2C匯流排電氣特性，這個非常重要，須嚴格遵守標準的電氣特性

  • SMBUS(system management bus) 。 大多數SMBus系統也符合I2C，電氣約束對於SMBus更為嚴格，並且它標準化了特定的協議訊息和習慣用語。 支援I2C的控制器也可以支援大多數SMBus操作，但是SMBus控制器並不支援I2C控制器將支援的所有協議選項。 通過使用I2C原語或通過向不支援這些I2C操作的i2c_adapter裝置發出SMBus命令，可以執行各種SMBus協議操作。

    http://smbus.org/

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

I2C 在Linux裝置中的拓撲結構

  • 在PC體系中，大體如下拓撲：

PC體系中通過橋接晶片，擴充套件出PCI,在由PCI擴充套件出I2C介面卡，進而得到I2C匯流排，或者橋接晶片直接擴充套件出SMBUS/I2C匯流排。

  • 在嵌入式應用中，則可能為：

嵌入式應用中，則可能更多的情況是處理器內建了I2C/SMBUS匯流排控制器，直接可得到I2C/SMBUS匯流排。嵌入式系統中常常會設計很多感測器掛載在I2C匯流排上，比如溫度檢測，壓力檢測等等，又或者諸如電容觸控式螢幕、電源管理IC等等。

程式碼實現

  • I2C 的core實現位於./drivers/i2c/下，實現了I2C匯流排裝置以及驅動（介面卡）和裝置驅動的註冊、登出方法，I2C通訊方法algorithm抽象，以及與具體硬體無關的程式碼
  • I2C主控制器驅動位於 ./drivers/i2c/busses/，這裡主要實現匯流排控制器，具體體現為i2c_adapter的實現。負責I2C介面卡與從裝置通訊。I2C匯流排驅動由i2c_adapter和i2c_algorithm來抽象描述。
  • 裝置驅動則分散在./driver/下，這取決於具體的實現，種類繁多。
    • i2c-dev，大多位於drivers/i2c/i2c-dev.c，這種方法只是封裝了主機（I2Cmaster，一般是SoC中內建的I2C控制器）的I2C基本操作，並且嚮應用層提供相應的操作介面，應用層程式碼需要自己去實現對slave的控制和操作，所以這種I2C驅動相當於提供給應用層可以訪問slave硬體裝置的介面，本身並未對硬體做任何操作，應用需要實現對硬體的操作。這種模式也稱為應用驅動程式。
    • 另一種I2C驅動是將所有的程式碼都放在驅動層實現，直接嚮應用層提供最終結果。應用層甚至不需要知道這裡面有I2C存在，譬如電容式觸控式螢幕驅動，直接嚮應用層提供/dev/input/event1的操作介面，應用層程式設計的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

I2C子系統的主要目的是，對I2C匯流排以及裝置利用物件導向程式設計思想實現統一建模，以高內聚-低耦合的軟體工程思想，實現一個分層體系結構，以便於核心統一管理I2C裝置，從而可以更容易的在linux下實現I2C裝置以及高可移植。

主要資料結構

其內部有幾個關鍵資料結構，來梳理一下：

  • i2c_client, 用於抽象掛載在I2C匯流排上的從裝置
  • i2c_driver,用於驅動掛載在I2C匯流排生的從裝置，也即從裝置的裝置驅動程式
  • i2c_adapter，用於抽象I2C的主裝置
  • i2c_algorithm，抽象I2C匯流排操作介面

i2c_devinfo

該結構體主要用於板級I2C資訊管理

i2c_msg

該結構體主要用於抽象I2C報文，其內容如下:

i2c_timings

主要用於抽象I2C電氣特性，對於支援裝置樹的系統構建而言，主要通過以下核心介面函式，從裝置樹解析電氣特性引數。

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

該結構體主要用於抽象I2C 裝置的ID屬性，通過核心介面函式i2c_get_device_id以獲取裝置ID屬性。

總體框架

概述

Linux I2C程式設計介面支援匯流排互動的主端和從端。從高層級看由兩種驅動程式和兩種裝置構成：

  • 介面卡裝置與介面卡裝置驅動對：I2C 介面卡驅動程式用於抽象控制器硬體;它繫結到一個物理裝置(可能是一個PCI裝置(PC體系多一些)或platform_device(嵌入式應用居多))，並構建i2c_adapter實體以呈現所管理的1個I2C匯流排段。

    • platform_device。 比如：i2c-s3c2410，如下：
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 介面卡裝置。如在i2c-ali1535.c中：
/* 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 裝置驅動*/
static struct pci_driver ali1535_driver;
static unsigned long ali1535_smba;
static unsigned short ali1535_offset;
  • I2C從裝置及裝置驅動對：每個I2C匯流排段上將有一個由結構i2c_client表示的I2C裝置。這些裝置將被繫結到一個struct i2c_driver，遵循標準的Linux驅動程式模型。

架構

圖片來源:https://www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/slave-interface.html

主端匯流排驅動職責：

  • 介面卡和演算法驅動程式，見下面i2c_algorithm結構體詳細描述
  • 管理I2C匯流排互動

從端裝置驅動職責：

  • i2c_client結構體具有裝置的I2C匯流排地址以及介面卡的驅動程式指標

當使用者程式發出檔案操作申請I2C事務時：

  1. i2C_transfer (i2C-core.c) 呼叫 adap_algo_master_xfer，資料或訊息以i2c_msg結構體傳入。
  2. 介面卡對硬體I / O地址進行讀/寫操作，實現底層的I2C讀寫裝置操作。

從應用程式直到底層的大致互動流程如下：

總結一下

I2C匯流排子系統在Linux核心中I2C匯流排模型分為主/從兩端，主端主要有介面卡以及介面卡驅動負責管理匯流排，從端主要有從裝置抽象以及裝置驅動實現具體的從裝置應用。主端介面卡以兩種形式存在於核心程式碼PCI橋接介面卡或者platform_device形式。從總體理解I2C子系統的驅動模型，以及相應主要資料結構之間的關係，將有助於開發除錯驅動程式，快速定位問題。
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