嵌入式驱动开发详解13（IIC驱动架构实现）

🕗 发布于 2024-12-10 06:35 驱动开发

文章目录

前言
I2C简介
Linux I2C驱动框架简介
I2C适配器驱动
I2C设备驱动
- 参考文献

前言

本内容主要讲解在linux系统上开发I2C设备驱动，先讲解I2C相关的基础知识，再讲解I2C设备驱动框架，最后讲解I2C设备驱动具体实现。

I2C简介

I2C初始

I2C 是很常见的一种总线协议，I2C 是 NXP 公司设计的，I2C 使用两条线在主控制器和从机之间进行数据通信。一条是 SCL(串行时钟线)，另外一条是 SDA(串行数据线)，这两条数据线需要接上拉电阻，总线空闲的时候 SCL 和 SDA 处于高电平。I2C 总线标准模式下速度可以达到 100Kb/S，快速模式下可以达到 400Kb/S。
I2C 是支持多从机的，也就是一个 I2C 控制器下可以挂多个 I2C 从设备，这些不同的 I2C 从设备有不同的器件地址，这样 I2C 主控制器就可以通过 I2C 设备的器件地址访问指定的 I2C 设备，SDA 和 SCL 这两根线必须要接一个上拉电阻，一般是 4.7K。
在这里插入图片描述

I2C基本时序

起始位
I2C 通信起始标志，通过这个起始位就可以告诉 I2C 从机，“我”要开始进行 I2C 通信了。在 SCL 为高电平的时候，SDA 出现下降沿就表示为起始位。
停止位
停止位就是停止 I2C 通信的标志位，和起始位的功能相反。在 SCL 位高电平的时候，SDA 出现上升沿就表示为停止位。
数据传输
I2C 总线在数据传输的时候要保证在 SCL 高电平期间，SDA 上的数据稳定，因此 SDA 上的数据变化只能在 SCL 低电平期间发生。
应答信号
当 I2C 主机发送完 8 位数据以后会将 SDA 设置为输入状态，等待 I2C 从机应答，也就是等到 I2C 从机告诉主机它接收到数据了。应答信号是由从机发出的，主机需要提供应答信号所需的时钟，主机发送完 8 位数据以后紧跟着的一个时钟信号就是给应答信号使用的。从机通过将 SDA 拉低来表示发出应答信号，表示通信成功，否则表示通信失败。

I2C读写时序

I2C 写时序
注意带*号的START大多数情况下不需要
1)、开始信号。
2)、发送 I2C 设备地址，每个 I2C 器件都有一个设备地址，通过发送具体的设备地址来决定访问哪个 I2C 器件。这是一个 8 位的数据，其中高 7 位是设备地址，最后 1 位是读写位，为 1 的话表示这是一个读操作，为 0 的话表示这是一个写操作。
3)、 I2C 器件地址后面跟着一个读写位，为 0 表示写操作，为 1 表示读操作。
4)、从机发送的 ACK 应答信号。
5)、重新发送开始信号。 *
6)、发送要写写入数据的寄存器地址。
7)、从机发送的 ACK 应答信号。
8)、发送要写入寄存器的数据。
9)、从机发送的 ACK 应答信号。
10)、停止信号。
如果需要写多个数据的话，直接在从机产生应答信号之后继续发送第2，3，4…数据即可，最后不需要发送数据时用stop来结束，具体能连续写入多少数据需要看对应的I2C器件的芯片手册，如果最多能写16个数据，但是发送了17个数据，第17个数据就会覆盖第一个数据
I2C 读时序
I2C 单字节读时序比写时序要复杂一点，读时序分为 4 大步，第一步是发送设备地址，第二步是发送要读取的寄存器地址，第三步重新发送设备地址，最后一步就是 I2C 从器件输出要取的寄存器值。

注意带*号的START大多数情况下不需要
1)、主机发送起始信号。
2)、主机发送要读取的 I2C 从设备地址。
3)、读写控制位，因为是向 I2C 从设备发送数据，因此是写信号。
4)、从机发送的 ACK 应答信号。
5)、重新发送 START 信号。 *
6)、主机发送要读取的寄存器地址。
7)、从机发送的 ACK 应答信号。
8)、重新发送 START 信号。
9)、重新发送要读取的 I2C 从设备地址。
10)、读写控制位，这里是读信号，表示接下来是从 I2C 从设备里面读取数据。
11)、从机发送的 ACK 应答信号。
12)、从 I2C 器件里面读取到的数据。
13)、主机发出 NO ACK 信号，表示读取完成，不需要从机再发送 ACK 信号了。
14)、主机发出 STOP 信号，停止 I2C 通信。
如果需要读多个数据的话，主机在数据接收后发送一个应答信号，而不是非应答信号，因为发生应答信号后从机会继续发送第2，3，4…数据，直到接收到对应的数量的数据，就可以发送非应答信号停止告诉从机不用再发数据了，最后发送停止信号即可，便于下一次的传输。

Linux I2C驱动框架简介

Linux 内核也将 I2C 驱动分为两部分：
①、I2C 总线驱动，I2C 总线驱动就是 SOC 的 I2C 控制器驱动，也叫做 I2C 适配器驱动。
②、I2C 设备驱动，I2C 设备驱动就是针对具体的 I2C 设备而编写的驱动。
I2C总线核心（I2C Core）：
【系统厂编写】I2C总线核心是Linux内核中的一个核心模块，主要负责管理所有注册到系统的I2C总线适配器和设备提供与设备通信的API函数。它提供了一些基本的操作函数，如启动总线、停止总线、发送起始信号、发送停止信号等。
I2C适配器驱动（I2C Adapter Driver）：
【芯片厂提供】I2C适配器驱动负责与硬件的I2C控制器进行交互，完成硬件层面的初始化、配置和操作。它将底层硬件的特定接口与I2C总线核心驱动进行连接，使得核心驱动能够通过适配器驱动来访问硬件。
I2C设备驱动（I2C Device Driver）：
【开发者编写】I2C设备驱动是针对特定类型的I2C设备编写的驱动程序。它包含了对具体设备的操作和控制逻辑，通过调用I2C总线核心驱动提供的API函数与设备进行通信。设备驱动的主要任务包括初始化设备、读写数据、配置设备参数等。
在这里插入图片描述

I2C适配器驱动

I2C 适配器驱动就是 SOC 的 I2C 控制器驱动，一般都是 SOC 厂商去编写的，比如 NXP 就编写好了 I.MX6U 的 I2C 适配器驱动。
在 imx6ull.dtsi 文件中找到 I.MX6U 的 I2C1 控制器节点，节点内容如下所示：

i2c1: i2c@021a0000 {
#address-cells = <1>; 
#size-cells = <0>;
compatible = "fsl,imx6ul-i2c", "fsl,imx21-i2c";
reg = <0x021a0000 0x4000>; 
interrupts = <GIC_SPI 36 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
clocks = <&clks IMX6UL_CLK_I2C1>; 
status = "disabled";
}

一般情况下根据 i2c1 节点的 compatible 即可找到对应的驱动文件。I.MX6U 的 I2C 适配器驱动驱动文件为 drivers/i2c/busses/i2c-imx.c。

static struct platform_driver i2c_imx_driver = {
.probe = i2c_imx_probe,
.remove = i2c_imx_remove,
.driver= {
.name = DRIVER_NAME,
.owner = THIS_MODULE,
.of_match_table = i2c_imx_dt_ids,
.pm = IMX_I2C_PM,
},
.id_table= imx_i2c_devtype,
};

在该文件中，I2C适配器驱动通过platform架构实现，platform_driver_register函数开始执行，设备和驱动就会进行匹配，成功以后 i2c_imx_probe 函数就会执行，i2c_imx_probe 函数就会完成 I2C 适配器初始化工作。具体的初始化内容可以参考对应的.c文件，不同的芯片对应不同的.c文件，因为这个是芯片厂商写的。

I2C设备驱动

I2C 适配器驱动 SOC 厂商已经替我们编写好了，我们需要做的就是编写具体的设备驱动
设备驱动可以用设备树描述，也可以不用设备树
1、不用设备树的话需要定义好i2c_board_info结构体，其中type和addr是必须要设置的
2、用设备树的话在设备树下面创建对应的节点即可，可以参考Document中设备树的绑定文档，如下所示为设备树设置方式。

&i2c2 {
clock_frequency = <100000>;
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c2>;
status = "okay";

ov5640: ov5640@3c {
compatible = "ovti,ov5640";
reg = <0x3c>;
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_csi1>;
clocks = <&clks IMX6UL_CLK_CSI>;
clock-names = "csi_mclk";
pwn-gpios = <&gpio_spi 6 1>;
rst-gpios = <&gpio_spi 5 0>;
csi_id = <0>;
mclk = <24000000>;
mclk_source = <0>;
status = "okay";
port {
ov5640_ep: endpoint {
remote-endpoint = <&csi1_ep>;
};
};
};
};

I2C设备驱动通过一个类似platform的框架实现，由i2c_core内核实现。

static struct i2c_driver ap3216c_driver = {
    .probe = ap3216c_probe,
    .remove = ap3216c_remove,
    .driver = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .name = "ap3216c",
        .of_match_table = ap3216c_of_match,
    },
    .id_table = ap3216c_id,
};

通过i2c_add_driver函数即可实现设备与驱动的匹配，进而执行.probe函数。一般需要在 probe 函数里面初始化 I2C 设备，要初始化 I2C 设备就必须能够对 I2C 设备寄存器进行读写操作，这里就要用到 i2c_transfer 函数了，i2c_transfer 函数最终会调用 I2C 适配器中 i2c_algorithm 里面的 master_xfer 函数。
i2c_transfer 函数原型如下：

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

函数参数和返回值含义如下：
adap：所使用的 I2C 适配器，i2c_client 会保存其对应的 i2c_adapter。
msgs：I2C 要发送的一个或多个消息。
num：消息数量，也就是 msgs 的数量。
返回值：负值，失败，其他非负值，发送的 msgs 数量。

Linux 内核使用 i2c_msg 结构体来描述一个消息。i2c_msg 结构体定义在 include/uapi/linux/i2c.h 文件中，结构体内容如下：

struct i2c_msg {
__u16 addr;/* slave address*/
__u16 flags;
#define I2C_M_TEN0x0010/* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_RD0x0001/* read data, from slave to master */
#define I2C_M_STOP0x8000/* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART0x4000/* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR0x2000/* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK0x1000/* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NO_RD_ACK0x0800/* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_RECV_LEN0x0400/* length will be first received byte */
__u16 len;/* msg length*/
__u8 *buf;/* pointer to msg data*/
};

下面这个是对发送函数的封装：

static int ap3216c_read_regs(struct ap3216c_dev *dev, unsigned char reg, void *val, int len)
{
    int ret;
    struct i2c_msg msg[2];
    struct i2c_client *client = (struct i2c_client *)dev->private_data;
    msg[0].addr = client->addr;
    msg[0].flags = 0;
    msg[0].buf = &reg;
    msg[0].len = 1;

    msg[1].addr = client->addr;
    msg[1].flags = I2C_M_RD;
    msg[1].buf = val;
    msg[1].len = len;

    ret = i2c_transfer(client->adapter,msg,2);

    if(ret == 2){
        return 0;
    }else{
        printk("i2c read error\r\n");
        return -EREMOTEIO;
    }
}

下面这个是对接收函数的封装：

static int ap3216c_write_regs(struct ap3216c_dev *dev, u8 reg, u8 *buf, u8 len) 
{
    u8 b[256];
    struct i2c_msg msg;
    struct i2c_client *client = (struct i2c_client *) dev->private_data;
    b[0] = reg; /* 寄存器首地址 */
    memcpy(&b[1],buf,len); /* 将要写入的数据拷贝到数组 b 里面 */
    msg.addr = client->addr; /* ap3216c 地址 */ 
    msg.flags = 0;
    msg.buf = b; /* 要写入的数据缓冲区 */ 
    msg.len = len + 1; /* 要写入的数据长度 */ 
    return i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);
}

参考文献

个人专栏系列文章
正点原子嵌入式驱动开发指南
Linux驱动：I2C驱动看这一篇就够了
对代码有兴趣的同学可以查看链接https://github.com/NUAATRY/imx6ull_dev

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_63699001/article/details/144231156

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