Linux内核中I2C系统的设计思路
[ 导读] 本文通过阅读内核代码，来梳理一下i2c子系统的整体视图。在开发i2c设备驱动程序时，往往缺乏对于系统整体的认识，没有一个清晰的思路。所以从高层级来分析一下i2c系统的设计思路，将有助于设计调试具体的驱动程序。
i2c/smbus基础
i2c是一种芯片间通讯总线技术，最早由philips设计制定。下面内容参考i2c 2.1 规格书
半双工通信方式，通信采用主/从结构
支持多主模式，下图来源于i2c 2.1规格书
其内部电气实现采用集电极开路(open-collector)/漏极开路(open-drain)结构以实现线与功能，这是总线的实现基础，多芯片通过查询总线状态实现介质仲裁以实现总线控制。
总线信号由两线实现，串行时钟线scl(serial clock line)/串行数据线sda(serial data line)。
具有三种通讯速率模式：
standard mode:0-100 kbps (bps: bit/s)
fast mode：0-400 kbps
high-speed mode : 0-3.4mbps
可支持混速模式
不同的速率在硬件设计时需要注意信号的完整性，i2c总线等效电容cx，主要需要考虑pcb布线，以及上拉电阻选取。
支持7bit/10bit 两种芯片地址模式
i2c总线电气特性，这个非常重要，须严格遵守标准的电气特性
smbus(system management bus) 。大多数smbus系统也符合i2c，电气约束对于smbus更为严格，并且它标准化了特定的协议消息和习惯用语。支持i2c的控制器也可以支持大多数smbus操作，但是smbus控制器并不支持i2c控制器将支持的所有协议选项。通过使用i2c原语或通过向不支持这些i2c操作的i2c_adapter设备发出smbus命令，可以执行各种smbus协议操作。
i2c bus(inter-integrated circuit bus) https://www.i2c-bus.org/
i2c 在linux设备中的拓扑结构
在pc体系中，大体如下拓扑：
pc体系中通过桥接芯片，扩展出pci,在由pci扩展出i2c适配器，进而得到i2c总线，或者桥接芯片直接扩展出smbus/i2c总线。
在嵌入式应用中，则可能为：
嵌入式应用中，则可能更多的情况是处理器内置了i2c/smbus总线控制器，直接可得到i2c/smbus总线。嵌入式系统中常常会设计很多传感器挂载在i2c总线上，比如温度检测，压力检测等等，又或者诸如电容触摸屏、电源管理ic等等。
代码实现
i2c 的core实现位于./drivers/i2c/下，实现了i2c总线设备以及驱动（适配器）和设备驱动的注册、注销方法，i2c通信方法algorithm抽象，以及与具体硬件无关的代码
i2c主控制器驱动位于 ./drivers/i2c/busses/，这里主要实现总线控制器，具体体现为i2c_adapter的实现。负责i2c适配器与从设备通信。i2c总线驱动由i2c_adapter和i2c_algorithm来抽象描述。
设备驱动则分散在./driver/下，这取决于具体的实现，种类繁多。
i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，这种方法只是封装了主机（i2cmaster，一般是soc中内置的i2c控制器）的i2c基本操作，并且向应用层提供相应的操作接口，应用层代码需要自己去实现对slave的控制和操作，所以这种i2c驱动相当于提供给应用层可以访问slave硬件设备的接口，本身并未对硬件做任何操作，应用需要实现对硬件的操作。这种模式也称为应用驱动程序。
另一种i2c驱动是将所有的代码都放在驱动层实现，直接向应用层提供最终结果。应用层甚至不需要知道这里面有i2c存在，譬如电容式触摸屏驱动，直接向应用层提供/dev/input/event1的操作接口，应用层编程的人根本不知道event1中涉及到了i2c。
i2c子系统的主要目的是，对i2c总线以及设备利用面向对象编程思想实现统一建模，以高内聚-低耦合的软件工程思想，实现一个分层体系结构，以便于内核统一管理i2c设备，从而可以更容易的在linux下实现i2c设备以及高可移植。
主要数据结构
其内部有几个关键数据结构，来梳理一下：
i2c_client, 用于抽象挂载在i2c总线上的从设备
i2c_driver,用于驱动挂载在i2c总线的从设备，也即从设备的设备驱动程序
i2c_adapter，用于抽象i2c的主设备
i2c_algorithm，抽象i2c总线操作接口
i2c_devinfo
该结构体主要用于板级i2c信息管理
i2c_msg
该结构体主要用于抽象i2c报文，其内容如下:
i2c_timings
主要用于抽象i2c电气特性，对于支持设备树的系统构建而言，主要通过以下内核接口函数，从设备树解析电气特性参数。
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 scl_rise_ns = 1000; else if (t->bus_freq_hz 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 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
该结构体主要用于抽象i2c 设备的id属性，通过内核接口函数i2c_get_device_id以获取设备id属性。
总体框架
概述
linux i2c编程接口支持总线交互的主端和从端。从高层级看由两种驱动程序和两种设备构成：
适配器设备与适配器设备驱动对：i2c 适配器驱动程序用于抽象控制器硬件;它绑定到一个物理设备(可能是一个pci设备(pc体系多一些)或platform_device(嵌入式应用居多))，并构建i2c_adapter实体以呈现所管理的1个i2c总线段。
/* 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 设备驱动*/ static struct pci_driver ali1535_driver; static unsigned long ali1535_smba; static unsigned short ali1535_offset;
pci-i2c 适配器设备。如在i2c-ali1535.c中：
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);
i2c从设备及设备驱动：每个i2c总线段上将有一个由结构i2c_client表示的i2c设备。这些设备将被绑定到一个struct i2c_driver，遵循标准的linux驱动程序模型。
架构
图片来源//www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/slave-interface.html
主端总线驱动职责：
适配器和算法驱动程序，见下面i2c_algorithm结构体详细描述
管理i2c总线交互
从端设备驱动职责：
i2c_client结构体具有设备的i2c总线地址以及适配器的驱动程序指针
当用户程序发出文件操作申请i2c事务时：
i2c_transfer (i2c-core.c) 调用 adap_algo_master_xfer，数据或消息以i2c_msg结构体传入。
适配器对硬件i / o地址进行读/写操作，实现底层的i2c读写设备操作。
从应用程序直到底层的大致交互流程如下：
总结一下
i2c总线子系统在linux内核中总线模型分为主/从两端，主端主要有适配器以及适配器驱动负责管理总线，从端主要有从设备抽象以及设备驱动，实现具体的从设备应用。主端适配器以两种形式存在于内核代码中，分为pci桥接适配器或者platform_device形式。从总体理解i2c子系统的驱动模型，以及相应主要数据结构之间的关系，将有助于开发调试驱动程序，快速定位问题。
基于AD5336芯片实现汽车防抱制动系统的控制器开发装置的设计
ZMI紫米推出果粉专用的移动电源，带Lightning充电口
B1I,B1C北斗三号定位模块+天线一体化IP67 GNSS G-mouse SKM2102CR
PCI总线实现通用数字信号处理系统
DPU性能评测系统框架与测试流程
Linux内核中I2C系统的设计思路
python数据挖掘与机器学习
trifo扫地机器人带你体验更加智能的生活服务
区块链如何改进保险行业索赔的工作流程
医疗废物在线监管系统对医疗废物实时在线监测
一组全新的概念渲染图,全新的苹果手机被称作iPhoneX1
谈谈对讲机耳机的类别
如何利用PWM数字技术实现D类放大器的性能设计
python运行一次自动再次运行
自动驾驶汽车的普及真的能够缓解甚至终结交通拥堵这一难题吗？
传言iOS11的iPhone8将支持VR技术
MODBUS转PROFINET网关与安科瑞ard3t电机保护器的连接方法
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i2c/smbus基础
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支持多主模式，下图来源于i2c 2.1规格书
其内部电气实现采用集电极开路(open-collector)/漏极开路(open-drain)结构以实现线与功能，这是总线的实现基础，多芯片通过查询总线状态实现介质仲裁以实现总线控制。
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standard mode:0-100 kbps (bps: bit/s)
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smbus(system management bus) 。大多数smbus系统也符合i2c，电气约束对于smbus更为严格，并且它标准化了特定的协议消息和习惯用语。支持i2c的控制器也可以支持大多数smbus操作，但是smbus控制器并不支持i2c控制器将支持的所有协议选项。通过使用i2c原语或通过向不支持这些i2c操作的i2c_adapter设备发出smbus命令，可以执行各种smbus协议操作。
i2c bus(inter-integrated circuit bus) https://www.i2c-bus.org/
i2c 在linux设备中的拓扑结构
在pc体系中，大体如下拓扑：
pc体系中通过桥接芯片，扩展出pci,在由pci扩展出i2c适配器，进而得到i2c总线，或者桥接芯片直接扩展出smbus/i2c总线。
在嵌入式应用中，则可能为：
嵌入式应用中，则可能更多的情况是处理器内置了i2c/smbus总线控制器，直接可得到i2c/smbus总线。嵌入式系统中常常会设计很多传感器挂载在i2c总线上，比如温度检测，压力检测等等，又或者诸如电容触摸屏、电源管理ic等等。
代码实现
i2c 的core实现位于./drivers/i2c/下，实现了i2c总线设备以及驱动（适配器）和设备驱动的注册、注销方法，i2c通信方法algorithm抽象，以及与具体硬件无关的代码
i2c主控制器驱动位于 ./drivers/i2c/busses/，这里主要实现总线控制器，具体体现为i2c_adapter的实现。负责i2c适配器与从设备通信。i2c总线驱动由i2c_adapter和i2c_algorithm来抽象描述。
设备驱动则分散在./driver/下，这取决于具体的实现，种类繁多。
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另一种i2c驱动是将所有的代码都放在驱动层实现，直接向应用层提供最终结果。应用层甚至不需要知道这里面有i2c存在，譬如电容式触摸屏驱动，直接向应用层提供/dev/input/event1的操作接口，应用层编程的人根本不知道event1中涉及到了i2c。
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主要数据结构
其内部有几个关键数据结构，来梳理一下：
i2c_client, 用于抽象挂载在i2c总线上的从设备
i2c_driver,用于驱动挂载在i2c总线的从设备，也即从设备的设备驱动程序
i2c_adapter，用于抽象i2c的主设备
i2c_algorithm，抽象i2c总线操作接口
i2c_devinfo
该结构体主要用于板级i2c信息管理
i2c_msg
该结构体主要用于抽象i2c报文，其内容如下:
i2c_timings
主要用于抽象i2c电气特性，对于支持设备树的系统构建而言，主要通过以下内核接口函数，从设备树解析电气特性参数。
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 scl_rise_ns = 1000; else if (t->bus_freq_hz 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 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
该结构体主要用于抽象i2c 设备的id属性，通过内核接口函数i2c_get_device_id以获取设备id属性。
总体框架
概述
linux i2c编程接口支持总线交互的主端和从端。从高层级看由两种驱动程序和两种设备构成：
适配器设备与适配器设备驱动对：i2c 适配器驱动程序用于抽象控制器硬件;它绑定到一个物理设备(可能是一个pci设备(pc体系多一些)或platform_device(嵌入式应用居多))，并构建i2c_adapter实体以呈现所管理的1个i2c总线段。
/* 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 设备驱动*/ static struct pci_driver ali1535_driver; static unsigned long ali1535_smba; static unsigned short ali1535_offset;
pci-i2c 适配器设备。如在i2c-ali1535.c中：
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);
i2c从设备及设备驱动：每个i2c总线段上将有一个由结构i2c_client表示的i2c设备。这些设备将被绑定到一个struct i2c_driver，遵循标准的linux驱动程序模型。
架构
图片来源//www.kernel.org/doc/html/latest/i2c/slave-interface.html
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适配器和算法驱动程序，见下面i2c_algorithm结构体详细描述
管理i2c总线交互
从端设备驱动职责：
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