【嵌入式Linux驱动开发】二十四、Linux I2C 驱动上手尝试

  人的前程关于眼界、关乎格局。
  志之所趋，无远弗届，穷山复海不能限也；
  志之所向，无坚不入，锐兵精甲不能御也。

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一、I2C驱动框架简介

  Linux内核将 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。

1.2、I2C总线驱动

  platform 是虚拟出来的一条总线，目的是为了实现总线、设备、驱动框架。对于 I2C 而言，不需要虚拟出一条总线，直接使用 I2C总线即可。I2C 总线驱动重点是 I2C 适配器(也就是 SOC 的 I2C 接口控制器)驱动，这里要用到两个重要的数据结构： i2c_adapter 和 i2c_algorithm。

  Linux 内核将 SOC 的 I2C 适配器(控制器)抽象成 i2c_adapter， i2c_adapter 结构体定义在include/linux/i2c.h 文件中，结构体内容如下：

struct i2c_adapter {
	struct module *owner;
	unsigned int class; /* classes to allow probing for */
	const struct i2c_algorithm *algo; /* 总线访问算法 */
	void *algo_data;
	
	/* data fields that are valid for all devices */
	struct rt_mutex bus_lock;
	
	int timeout; /* in jiffies */
	int retries;
	struct device dev; /* the adapter device */
	
	int nr;
	char name[48];
	struct completion dev_released;
	
	struct mutex userspace_clients_lock;
	struct list_head userspace_clients;
	
	struct i2c_bus_recovery_info *bus_recovery_info;
	const struct i2c_adapter_quirks *quirks;
};

  对于一个 I2C 适配器，肯定要对外提供读写 API 函数，设备驱动程序可以使用这些 API 函数来完成读写操作。 i2c_algorithm 就是 I2C 适配器与 IIC 设备进行通信的方法。

  i2c_algorithm 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中，内容如下：

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);
	
	/* To determine what the adapter supports */
	u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);
	......
};

  上述代码中，master_xfer 是 I2C 适配器的传输函数，可以通过此函数来完成与 IIC 设备之间的通信。smbus_xfer 是 SMBUS 总线的传输函数。

  综上所述， I2C 总线驱动，或者说 I2C 适配器驱动的主要工作就是初始化 i2c_adapter 结构体变量，然后设置 i2c_algorithm 中的 master_xfer 函数。完成以后通过 i2c_add_numbered_adapter或 i2c_add_adapter 这两个函数向系统注册设置好的 i2c_adapter，这两个函数的原型如下：

//adapter 或 adap：要添加到 Linux 内核中的 i2c_adapter，也就是 I2C 适配器。
//返回值： 0，成功；负值，失败。
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)
int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adap)

  这两个函数的区别在于 i2c_add_adapter 使用动态总线号，而 i2c_add_numbered_adapter使用静态总线号。

  如果要删除 I2C 适配器的话使用 i2c_del_adapter 函数即可，函数原型如下：

//adap：要删除的 I2C 适配器。
void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter * adap)

  关于 I2C 的总线(控制器或适配器)驱动就介绍到这里，一般 SOC 的 I2C 总线驱动都是由半导体厂商编写的，比如 I.MX6U 的 I2C 适配器驱动 NXP 已经编写好了，这个不需要用户去编写。因此 I2C 总线驱动对我们这些 SOC 使用者来说是被屏蔽掉的，我们只要专注于 I2C 设备驱动即可。除非你是在半导体公司上班，工作内容就是写 I2C 适配器驱动。

1.3、I2C设备驱动

  I2C 设备驱动重点关注两个数据结构： i2c_client 和 i2c_driver，根据总线、设备和驱动型，I2C 总线上一小节已经讲了。还剩下设备和驱动， i2c_client 就是描述设备信息的， i2c_driver 描述驱动内容，类似于 platform_driver。

1.3.1、 i2c_client 结构体

  i2c_client 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中，内容如下：

struct i2c_client {
	unsigned short flags; /* 标志 */
	unsigned short addr; /* 芯片地址， 7 位，存在低 7 位*/
	......
	char name[I2C_NAME_SIZE]; /* 名字 */
	struct i2c_adapter *adapter; /* 对应的 I2C 适配器 */
	struct device dev; /* 设备结构体 */
	int irq; /* 中断 */
	struct list_head detected;
	......
};

  一个设备对应一个 i2c_client，每检测到一个 I2C 设备就会给这个 I2C 设备分配一个i2c_client。

1.3.2、i2c_driver 结构体

  i2c_driver 类似 platform_driver，是我们编写 I2C 设备驱动重点要处理的内容， i2c_driver 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中。对于我们 I2C 设备驱动编写人来说，重点工作就是构建 i2c_driver，构建完成以后需要向Linux 内核注册这个 i2c_driver。 i2c_driver 注册函数为 int i2c_register_driver，此函数原型如下：

//owner： 一般为 THIS_MODULE。
//driver：要注册的 i2c_driver。
//返回值： 0，成功；负值，失败。
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)

  另外 i2c_add_driver 也常常用于注册 i2c_driver， i2c_add_driver 是一个宏，定义如下：

#define i2c_add_driver(driver) i2c_register_driver(THIS_MODULE, driver)

  i2c_add_driver 就是对 i2c_register_driver 做了一个简单的封装，只有一个参数，就是要注册的 i2c_driver。

  注销 I2C 设备驱动的时候需要将前面注册的 i2c_driver 从 Linux 内核中注销掉，需要用到i2c_del_driver 函数，此函数原型如下：

//driver：要注销的 i2c_driver。
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)

i2c_driver 的注册示例代码

/* i2c 驱动的 probe 函数 */
static int xxx_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
	/* 函数具体程序 */
	return 0;
}

/* i2c 驱动的 remove 函数 */
static int ap3216c_remove(struct i2c_client *client)
{
	/* 函数具体程序 */
	return 0;
}

/* 传统匹配方式 ID 列表 */
static const struct i2c_device_id xxx_id[] = {
	{"xxx", 0},
	{}
};

/* 设备树匹配列表 */
static const struct of_device_id xxx_of_match[] = {
	{ .compatible = "xxx" },
	{ /* Sentinel */ }
};

/* i2c 驱动结构体 */
static struct i2c_driver xxx_driver = {
	probe = xxx_probe,
	remove = xxx_remove,
	driver = {
		owner = THIS_MODULE,
		name = "xxx",
		of_match_table = xxx_of_match,
	},
	id_table = xxx_id,
};

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
	int ret = 0;
	
	ret = i2c_add_driver(&xxx_driver);
	return ret;
}

/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
	i2c_del_driver(&xxx_driver);
}

module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

二、I2C 设备驱动编写流程

  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，本小节我们就来学习一下 I2C 设备驱动的详细编写流程。

2.1、 I2C 设备信息描述

2.1.1、未使用设备树

  首先肯定要描述 I2C 设备节点信息，先来看一下没有使用设备树的时候是如何在 BSP 里面描述 I2C 设备信息的，在未使用设备树的时候需要在 BSP 里面使用 i2c_board_info 结构体来描述一个具体的 I2C 设备。 i2c_board_info 结构体如下：

struct i2c_board_info {
	char type[I2C_NAME_SIZE]; /* I2C 设备名字 */
	unsigned short flags; /* 标志 */
	unsigned short addr; /* I2C 器件地址 */
	void *platform_data;
	struct dev_archdata *archdata;
	struct device_node *of_node;
	struct fwnode_handle *fwnode;
	int irq;
};

  其中，type 和 addr 这两个成员变量是必须要设置的，一个是 I2C 设备的名字，一个是 I2C 设备的器件地址。

  可以在 Linux 源码里面全局搜索 i2c_board_info，会找到大量以 i2c_board_info 定义的I2C 设备信息，这些就是未使用设备树的时候 I2C 设备的描述方式，当采用了设备树以后就不会再使用i2c_board_info 来描述 I2C 设备了。

2.1.2、使用设备树

  使用设备树的时候 I2C 设备信息通过创建相应的节点就行了，比如 NXP 官方的 EVK 开发板在 I2C1 上接了 mag3110 这个磁力计芯片，因此必须在 i2c1 节点下创建 mag3110 子节点，然后在这个子节点内描述 mag3110 这个芯片的相关信息。打开 imx6ull-14x14-evk.dts 这个设备树文件，然后找到如下内容：

&i2c1 {
	clock-frequency = <100000>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
	status = "okay";

	mag3110@0e {
		compatible = "fsl,mag3110";
		reg = <0x0e>;
		position = <2>;
	};
	......
};

  第 7~11 行，向 i2c1 添加 mag3110 子节点，第 7 行“ mag3110@0e”是子节点名字，“ @”后面的“ 0e”就是 mag3110 的 I2C 器件地址。第 8 行设置 compatible 属性值为“ fsl,mag3110”。第 9 行的 reg 属性也是设置 mag3110 的器件地址的，因此值为 0x0e。

  I2C 设备节点的创建重点是 compatible 属性和 reg 属性的设置，一个用于匹配驱动，一个用于设置器件地址。

2.2、I2C 设备数据收发处理流程

  前面说过，I2C 设备驱动首先要做的就是初始化 i2c_driver 并向 Linux 内核注册。当设备和驱动匹配以后 i2c_driver 里面的 probe 函数就会执行， probe 函数里面所做的就是字符设备驱动那一套了。

  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，对于 I.MX6U 而言就是i2c_imx_xfer 这个函数。 i2c_transfer 函数原型如下：

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

  重点来看一下 msgs 这个参数，这是一个 i2c_msg 类型的指针参数， I2C 进行数据收发。说白了就是消息的传递， 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; /* 从机地址 */
	__u16 flags; /* 标志 */
	#define I2C_M_TEN 0x0010
	#define I2C_M_RD 0x0001
	#define I2C_M_STOP 0x8000
	#define I2C_M_NOSTART 0x4000
	#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000
	#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000
	#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800
	#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400
	__u16 len; /* 消息(本 msg)长度 */
	__u8 *buf; /* 消息数据 */
};

  使用 i2c_transfer 函数发送数据之前要先构建好 i2c_msg。

使用 i2c_transfer 进行 I2C 数据收发的示例代码如下：

/* 设备结构体 */
struct xxx_dev {
	......
	void *private_data; /* 私有数据，一般会设置为 i2c_client */
};

/*
* @description : 读取 I2C 设备多个寄存器数据
* @param – dev : I2C 设备
* @param – reg : 要读取的寄存器首地址
* @param – val : 读取到的数据
* @param – len : 要读取的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static int xxx_read_regs(struct xxx_dev *dev, u8 reg, void *val, int len)
{
	int ret;
	struct i2c_msg msg[2];
	struct i2c_client *client = (struct i2c_client *)
	dev->private_data;
	
	/* msg[0]，第一条写消息，发送要读取的寄存器首地址 */
	msg[0].addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
	msg[0].flags = 0; /* 标记为发送数据 */
	msg[0].buf = ® /* 读取的首地址 */
	msg[0].len = 1; /* reg 长度 */
	
	/* msg[1]，第二条读消息，读取寄存器数据 */
	msg[1].addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
	msg[1].flags = I2C_M_RD; /* 标记为读取数据 */
	msg[1].buf = val; /* 读取数据缓冲区 */
	msg[1].len = len; /* 要读取的数据长度 */
	
	ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);
	if(ret == 2) {
		ret = 0;
	} else {
		ret = -EREMOTEIO;
	}
	return ret;
}

/*
* @description : 向 I2C 设备多个寄存器写入数据
* @param – dev : 要写入的设备结构体
* @param – reg : 要写入的寄存器首地址
* @param – val : 要写入的数据缓冲区
* @param – len : 要写入的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static s32 xxx_write_regs(struct xxx_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); /* 将要发送的数据拷贝到数组 b 里面 */
	
	msg.addr = client->addr; /* I2C 器件地址 */
	msg.flags = 0; /* 标记为写数据 */
	
	msg.buf = b; /* 要发送的数据缓冲区 */
	msg.len = len + 1; /* 要发送的数据长度 */
	
	return i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);
}

  上述例程需要说明的是：

• 第 2~5行，设备结构体，在设备结构体里面添加一个执行 void的指针成员变量 private_data，此成员变量用于保存设备的私有数据。在 I2C 设备驱动中我们一般将其指向 I2C 设备对应的i2c_client。
• 第 15~40 行， xxx_read_regs 函数用于读取 I2C 设备多个寄存器数据。第 18 行定义了一个i2c_msg 数组， 2 个数组元素，因为 I2C 读取数据的时候要先发送要读取的寄存器地址，然后再读取数据，所以需要准备两个 i2c_msg。一个用于发送寄存器地址，一个用于读取寄存器值。对于 msg[0]，将 flags 设置为 0，表示写数据。 msg[0]的 addr 是 I2C 设备的器件地址， msg[0]的 buf成员变量就是要读取的寄存器地址。对于 msg[1]，将 flags 设置为 I2C_M_RD，表示读取数据。msg[1]的 buf 成员变量用于保存读取到的数据， len 成员变量就是要读取的数据长度。调用i2c_transfer 函数完成 I2C 数据读操作。
• 第 50~66 行， xxx_write_regs 函数用于向 I2C 设备多个寄存器写数据， I2C 写操作要比读操作简单一点，因此一个 i2c_msg 即可。数组 b 用于存放寄存器首地址和要发送的数据，第 59 行设置 msg 的 addr 为 I2C 器件地址。第 60 行设置 msg 的 flags 为 0，也就是写数据。第 62 行设置要发送的数据，也就是数组 b。第 63 行设置 msg 的 len 为 len+1，因为要加上一个字节的寄存器地址。最后通过 i2c_transfer 函数完成向 I2C 设备的写操作。

  另外还有两个API函数分别用于I2C数据的收发操作，这两个函数最终都会调用 i2c_transfer。首先来看一下 I2C 数据发送函数 i2c_master_send，函数原型如下：

//client： I2C 设备对应的 i2c_client。
//buf：要发送的数据。
//count： 要发送的数据字节数，要小于 64KB，因为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无符号 16 位)类型的数据。
//返回值： 负值，失败，其他非负值，发送的字节数
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client,
					const char *buf,
					int count)

I2C 数据接收函数为 i2c_master_recv，函数原型如下：

//client： I2C 设备对应的 i2c_client。
//buf：要接收的数据。
//count： 要接收的数据字节数，要小于 64KB，因为 i2c_msg 的 len 成员变量是一个 u16(无符号 16 位)类型的数据。
//返回值： 负值，失败，其他非负值，发送的字节数。
int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client,
					char *buf,
					int count)

  关于 Linux 下 I2C 设备驱动的编写流程就讲解到这里，重点就是 i2c_msg 的构建和i2c_transfer 函数的调用，接下来我们就编写 AP3216C 这个 I2C 设备的 Linux 驱动。

二、程序编写

2.1、修改设备树

2.1.1、IO修改

  首先肯定是要修改 IO， AP3216C 用到了 I2C1 接口， I.MX6U-ALPHA 开发板上的 I2C1 接口使用到了 UART4_TXD 和 UART4_RXD，因此肯定要在设备树里面设置这两个 IO。如果要用到 AP3216C 的中断功能的话还需要初始化 AP_INT 对应的 GIO1_IO01 这个 IO，本章实验我们不使用中断功能。因此只需要设置 UART4_TXD 和 UART4_RXD 这两个 IO， NXP 其实已经将他这两个 IO 设置好了，打开 imx6ull-alientek-emmc.dts，然后找到如下内容：

pinctrl_i2c1: i2c1grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_UART4_TX_DATA__I2C1_SCL 0x4001b8b0
		MX6UL_PAD_UART4_RX_DATA__I2C1_SDA 0x4001b8b0
	>;
};

  pinctrl_i2c1 就是 I2C1 的 IO 节点，这里将 UART4_TXD 和 UART4_RXD 这两个 IO 分别复用为 I2C1_SCL 和 I2C1_SDA，电气属性都设置为 0x4001b8b0。

2.1.2、在 i2c1 节点追加 ap3216c 子节点

  AP3216C 是连接到 I2C1 上的，因此需要在 i2c1 节点下添加 ap3216c 的设备子节点，在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中找到 i2c1 节点，删除该节点下默认的mag3110和fxls8471子节点信息，加入ap3216c子节点信息，最终i2c1节点内容如下：

&i2c1 {
	clock-frequency = <100000>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
	status = "okay";

	ap3216c@1e {
		compatible = "alientek,ap3216c";
		reg = <0x1e>;
	};
};

需要说明的：

• 第 7 行， ap3216c 子节点， @后面的“ 1e”是 ap3216c 的器件地址。
• 第 8 行，设置 compatible 值为“ alientek,ap3216c”。
• 第 9 行， reg 属性也是设置 ap3216c 器件地址的，因此 reg 设置为 0x1e。

  设备树修改完成以后使用“ make dtbs”重新编译一下，然后使用新的设备树启动 Linux 内核。 /sys/bus/i2c/devices 目录下存放着所有 I2C 设备，如果设备树修改正确的话，会在/sys/bus/i2c/devices 目录下看到一个名为“ 0-001e”的子目录，进入到该目录，使用cat name查看该目录下name文件的属性，该属性即设备名字！如下图所示：

2.2、AP3216C 驱动编写

三、运行程序