I2C 是很常用的一个串行通信接口，用于连接各种外设、传感器等器件，在裸机篇已经对I.MX6U 的 I2C 接口做了详细的讲解。本章我们来学习一下如何在 Linux 下开发 I2C 接口器件驱动，重点是学习 Linux 下的 I2C 驱动框架，按照指定的框架去编写 I2C 设备驱动。本章同样以 I.MX6U-ALPHA 开发板上的 AP3216C 这个三合一环境光传感器为例，通过 AP3216C 讲解一下如何编写 Linux 下的 I2C 设备驱动程序。
回想一下我们在裸机篇中是怎么编写 AP3216C 驱动的，我们编写了四个文件：bsp_i2c.c、bsp_i2c.h、bsp_ap3216c.c 和 bsp_ap3216c.h。其中前两个是 I.MX6U 的 IIC 接口驱动，后两个文件是 AP3216C 这个 I2C 设备驱动文件。相当于有两部分驱动：
①、I2C 主机驱动。
②、I2C 设备驱动。
对于 I2C 主机驱动，一旦编写完成就不需要再做修改，其他的 I2C 设备直接调用主机驱动提供的 API 函数完成读写操作即可。这个正好符合 Linux 的驱动分离与分层的思想，因此 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 总线驱动
首先来看一下 I2C 总线，在讲 platform 的时候就说过，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：
第 501 行，i2c_algorithm 类型的指针变量 algo，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(删除条件编译)：
第 398 行，master_xfer 就是 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。
第 400 行，smbus_xfer 就是 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：
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 使用动态的总线号，而 i2c_add_numbered_adapter使用静态总线号。函数参数和返回值含义如下：
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。
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：
void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter * adap)
函数参数和返回值含义如下：
adap：要删除的 I2C 适配器。
返回值：无。
关于 I2C 的总线(控制器或适配器)驱动就讲解到这里，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。
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、设备和驱动模型，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、i2c_client 结构体
i2c_client 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中，内容如下：
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。
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，内容如下：
第 170 行，当 I2C 设备和驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行，和 platform 驱动一样。
第 188 行，device_driver 驱动结构体，如果使用设备树的话，需要设置 device_driver 的of_match_table 成员变量，也就是驱动的兼容(compatible)属性。
第 189 行，id_table 是传统的、未使用设备树的设备匹配 ID 表。
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：
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)函数参数和返回值含义如下：
owner：一般为 THIS_MODULE。
driver：要注册的 i2c_driver。
返回值：0，成功；负值，失败。
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：
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：
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)函数参数和返回值含义如下：
driver：要注销的 i2c_driver。
返回值：无。
i2c_driver 的注册示例代码如下：
第 16~19 行，i2c_device_id，无设备树的时候匹配 ID 表。
第 22~25 行，of_device_id，设备树所使用的匹配表。
第 28~37 行，i2c_driver，当 I2C 设备和 I2C 驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行，这些和 platform 驱动一样，probe 函数里面基本就是标准的字符设备驱动那一套了。
I2C 设备和驱动匹配过程
I2C 设备和驱动的匹配过程是由 I2C 核心来完成的，drivers/i2c/i2c-core.c 就是 I2C 的核心部分，I2C 核心提供了一些与具体硬件无关的 API 函数，比如前面讲过的：
1、i2c_adapter 注册/注销函数
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter) int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adap) void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter * adap)2、i2c_driver 注册/注销函数
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver) int i2c_add_driver (struct i2c_driver *driver) void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver)设备和驱动的匹配过程也是由 I2C 总线完成的，I2C 总线的数据结构为 i2c_bus_type，定义在 drivers/i2c/i2c-core.c 文件，i2c_bus_type 内容如下：
.match 就是 I2C 总线的设备和驱动匹配函数，在这里就是 i2c_device_match 这个函数，此函数内容如下：
第 466 行，of_driver_match_device 函数用于完成设备树设备和驱动匹配。比较 I2C 设备节点的 compatible 属性和 of_device_id 中的 compatible 属性是否相等，如果相当的话就表示 I2C设备和驱动匹配。
第 470 行，acpi_driver_match_device 函数用于 ACPI 形式的匹配。
第 476 行，i2c_match_id 函数用于传统的、无设备树的 I2C 设备和驱动匹配过程。比较 I2C设备名字和 i2c_device_id 的 name 字段是否相等，相等的话就说明 I2C 设备和驱动匹配。
I.MX6U 的 I2C 适配器驱动分析
上一小节我们讲解了 Linux 下的 I2C 驱动框架，重点分为 I2C 适配器驱动和 I2C 设备驱动，其中 I2C 适配器驱动就是 SOC 的 I2C 控制器驱动。I2C 设备驱动是需要用户根据不同的 I2C 设备去编写，而 I2C 适配器驱动一般都是 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：
重点关注 i2c1 节点的 compatible 属性值，因为通过 compatible 属性值可以在 Linux 源码里面找到对应的驱动文件。这里i2c1节点的compatible属性值有两个：“fsl,imx6ul-i2c”和“fsl,imx21-i2c”，在 Linux 源码中搜索这两个字符串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，在此文件中有如下内容：
从示例代码 61.2.2 可以看出，I.MX6U 的 I2C 适配器驱动是个标准的 platform 驱动，由此可以看出，虽然 I2C 总线为别的设备提供了一种总线驱动框架，但是 I2C 适配器却是 platform驱动。就像你的部门老大是你的领导，你是他的下属，但是放到整个公司，你的部门老大却也是老板的下属。
第 259 行，“fsl,imx21-i2c”属性值，设备树中 i2c1 节点的 compatible 属性值就是与此匹配上的。因此 i2c-imx.c 文件就是 I.MX6U 的 I2C 适配器驱动文件。
第 1120 行，当设备和驱动匹配成功以后 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。
i2c_imx_probe 函数内容如下所示(有省略)：
第 984 行，调用 platform_get_irq 函数获取中断号。
第 990~991 行，调用 platform_get_resource 函数从设备树中获取 I2C1 控制器寄存器物理基地址，也就是 0X021A0000。获取到寄存器基地址以后使用 devm_ioremap_resource 函数对其进行内存映射，得到可以在 Linux 内核中使用的虚拟地址。
第 996 行，NXP 使用 imx_i2c_struct 结构体来表示 I.MX 系列 SOC 的 I2C 控制器，这里使用 devm_kzalloc 函数来申请内存。
第 1008~1013 行，imx_i2c_struct 结构体要有个叫做 adapter 的成员变量，adapter 就是i2c_adapter，这里初始化i2c_adapter。第1009行设置i2c_adapter 的algo成员变量为i2c_imx_algo，也就是设置 i2c_algorithm。
第 1028~1029 行，注册 I2C 控制器中断，中断服务函数为 i2c_imx_isr。
第 1042~1044 行，设置 I2C 频率默认为 IMX_I2C_BIT_RATE=100KHz，如果设备树节点设置了“clock-frequency”属性的话 I2C 频率就使用 clock-frequency 属性值。
第 1049~1051 行，设置 I2C1 控制的 I2CR 和 I2SR 寄存器。
第 1054 行，调用 i2c_add_numbered_adapter 函数向 Linux 内核注册 i2c_adapter。
第 1071 行，申请 DMA，看来 I.MX 的 I2C 适配器驱动采用了 DMA 方式。
i2c_imx_probe 函数主要的工作就是一下两点：
①、初始化 i2c_adapter，设置 i2c_algorithm 为 i2c_imx_algo，最后向 Linux 内核注册i2c_adapter。
②、初始化 I2C1 控制器的相关寄存器。
i2c_imx_algo 包含 I2C1 适配器与 I2C 设备的通信函数 master_xfer，i2c_imx_algo 结构体定义如下：
我们先来看一下. functionality，functionality用于返回此I2C适配器支持什么样的通信协议，在这里 functionality 就是 i2c_imx_func 函数，i2c_imx_func 函数内容如下：
重点来看一下 i2c_imx_xfer 函数，因为最终就是通过此函数来完成与 I2C 设备通信的，此函数内容如下(有省略)：
第 899 行，调用 i2c_imx_start 函数开启 I2C 通信。
第 939 行，如果是从 I2C 设备读数据的话就调用 i2c_imx_read 函数。
第 941~945 行，向 I2C 设备写数据，如果要用 DMA 的话就使用 i2c_imx_dma_write 函数来完成写数据。如果不使用 DMA 的话就使用 i2c_imx_write 函数完成写数据。
第 952 行，I2C 通信完成以后调用 i2c_imx_stop 函数停止 I2C 通信。
i2c_imx_start、i2c_imx_read、i2c_imx_write 和 i2c_imx_stop 这些函数就是 I2C 寄存器的具体操作函数，函数内容基本和我们裸机篇中讲的 I2C 驱动一样，这里我们就不详细的分析了，大家可以对照着第二十六章实验自行分析。
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。
I2C 设备信息描述
1、未使用设备树的时候
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：
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。打开 arch/arm/mach-imx/mach-mx27_3ds.c 文件，此文件中关于 OV2640 的 I2C 设备信息描述如下：
示例代码 61.3.1.2 中使用 I2C_BOARD_INFO 来完成 mx27_3ds_i2c_camera 的初始化工作，I2C_BOARD_INFO 是一个宏，定义如下：
可以看出，I2C_BOARD_INFO 宏其实就是设置 i2c_board_info 的 type 和 addr 这两个成员变量，因此示例代码 61.3.1.2 的主要工作就是设置 I2C 设备名字为 ov2640，ov2640 的器件地址为 0X30。
大家可以在 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、使用设备树的时候
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：
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。
I2C 设备数据收发处理流程
在 61.1.2 小节已经说过了，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：
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。
我们重点来看一下 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：
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：
第2~5行，设备结构体，在设备结构体里面添加一个指向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：
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, const char *buf, int count)函数参数和返回值含义如下：
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。
I2C 数据接收函数为 i2c_master_recv，函数原型如下：
int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char *buf, int count)函数参数和返回值含义如下：
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。
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。
实验程序编写
本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 21_iic。
具体参考正点原子手册即可。