【驱动】I2C驱动分析(二)-驱动框架

I2C驱动框架简介

I2C 驱动属于总线-设备-驱动模型的，与I2C总线设备驱动模型相比，大体框架是一样，系统的整体框架如下所示。

最上层是应用层，在应用层用户可以直接用open read write对设备进行操作，
往下是设备驱动层，这个就是外围的比如一些用I2C总线连接到SOC的传感器或者EEPROM的驱动程序，这个一般由普通驱动工程师负责，
再往下的I2C-Core是核心层，这个是Linux内核源码里面本来就有的，这里面主要是一些驱动和设备的注册函数以及i2c_transfer函数，
再往下就是I2C控制器驱动，这个一般是由芯片原厂的程序员负责编写，
再往下就是具体的硬件了。

用户空间

/dev/i2c-*提供了用户空间与内核空间之间的接口，允许用户空间应用程序通过设备文件（如）与I2C驱动进行通信。用户空间应用程序可以使用标准的I2C系统调用（如ioctl()）来发送和接收I2C消息。

在Linux内核代码文件/include/linux/i2c-dev.c中针对每个适配器生成一个主设备号为89的设备节点，实现了文件操作接口，用户空间可以通过i2c设备节点访问i2c适配器。适配器的编号从0开始，和适配器的设备节点的次设备号相同。

i2c适配器的设备节点是/dev/i2c-x，其中x是数字，代表适配器的编号。由于适配器编号是动态分配的（和注册次序有关），所以想了解哪一个适配器对应什么编号，可以查看/sys/class/i2c-dev/目录下的文件内容。

内核空间

I2C driver

I2C设备驱动层是Linux内核中负责管理和控制特定I2C设备的关键组件。它通过与I2C核心层协同工作，提供了与I2C设备进行通信、注册、注销、探测、移除等功能的接口。驱动程序负责初始化设备、处理设备的读写操作、响应中断事件等，以实现对I2C设备的控制和管理。通过I2C设备驱动层，用户空间应用程序和其他内核组件可以方便地与I2C设备进行交互，并实现各种应用需求。

下面详细介绍I2C设备驱动层的主要组成和功能：

设备注册和注销：
I2C设备驱动层提供了函数接口，允许驱动程序注册和注销I2C设备。注册过程中，驱动程序需要提供设备的描述信息，如设备名、设备地址等，以便核心层能够识别和管理设备。通过注册，驱动程序将设备与I2C总线关联起来，并为设备分配唯一的设备编号。注销过程中，驱动程序通知核心层不再需要管理该设备。
设备探测和移除：
当I2C总线上连接的设备被插入或移除时，I2C设备驱动层的探测和移除函数将被调用。探测函数负责初始化设备并准备设备进行通信。它接收一个i2c_client结构体指针作为参数，该结构体包含设备的地址、适配器指针等信息。探测函数通常会执行设备的初始化和配置操作，并将设备添加到设备模型中，以便其他组件可以访问设备。移除函数在设备被移除时执行，它负责清理设备和相关资源，并从设备模型中注销设备。
设备操作接口：
I2C设备驱动层提供了一组函数接口，允许用户空间应用程序或其他内核组件与I2C设备进行通信和操作。这些接口包括读取寄存器、写入寄存器、发送和接收数据等操作。驱动程序通过这些接口与设备进行交互，读取或写入设备的寄存器，发送和接收设备的数据。
设备节点和文件系统接口：
在Linux内核中，I2C设备通过设备节点（Device Node）在文件系统中表示。I2C设备驱动层负责创建和管理设备节点，使用户空间应用程序可以通过文件系统接口来访问和控制设备。设备节点通常位于/sys/bus/i2c/devices目录下，每个设备节点对应一个已注册的I2C设备。用户空间应用程序可以打开设备节点，并使用标准的读写操作来与设备进行通信。
中断和工作队列：
I2C设备驱动层还提供了处理中断和异步操作的机制，以满足实时性要求。当设备产生中断时，驱动程序可以注册中断处理函数来响应中断事件，并进行相应的处理。此外，驱动程序还可以使用工作队列（Work Queue）机制，在延迟执行的上下文中处理任务，以避免阻塞关键代码路径。

I2Ccore

I2C core是Linux内核中负责管理和控制I2C总线的基础层，提供了一组API和数据结构，用于注册、注销和管理I2C控制器、适配器以及与其连接的I2C设备。

I2C控制器注册：I2C核心层允许I2C控制器驱动程序在系统启动时注册。控制器驱动程序通过向I2C核心层提供适当的信息和回调函数来完成注册过程。一旦注册成功，核心层将管理该控制器的状态并提供相应的接口。
I2C适配器管理：I2C核心层负责管理系统中的所有I2C适配器。它提供了适配器的注册和注销接口，以便适配器驱动程序可以将适配器添加到系统中或将其移除。核心层还维护了适配器的状态信息，例如适配器的名称、地址范围等。
I2C设备注册和管理：I2C核心层允许I2C设备驱动程序注册与I2C总线连接的设备。设备驱动程序通过提供设备地址、设备ID等信息来完成注册过程。一旦注册成功，核心层将为该设备分配一个唯一的设备编号，并提供一组函数接口，使驱动程序能够与该设备进行通信。
I2C消息传输：I2C核心层提供了用于发送和接收I2C消息的函数接口。驱动程序可以使用这些接口来创建和配置I2C消息，包括设备地址、寄存器地址、数据等信息，并通过适配器驱动程序将消息发送到I2C总线上。核心层还处理I2C消息的ACK/NACK响应，并提供错误处理机制。
I2C设备节点：I2C核心层通过/sys/bus/i2c/devices目录下的设备节点来表示已注册的I2C设备。每个设备节点包含设备的唯一编号、设备地址等信息，驱动程序可以使用这些设备节点来访问和控制对应的I2C设备。

I2C algorithm

I2C algorithm是在软件层面上实现I2C总线通信的一系列步骤和流程。它通过初始化、发起通信、传输数据、等待应答、终止通信等操作来实现与I2C设备的通信和控制。在Linux内核中，I2C算法提供了通用的接口和函数，使驱动程序可以方便地使用和扩展I2C功能。

以下是I2C算法的主要步骤和流程：

初始化：
在使用I2C总线之前，需要初始化I2C控制器和相关的硬件资源。这包括设置I2C控制器的时钟频率、配置引脚和电气特性等。在Linux内核中，通常通过I2C子系统的初始化函数来完成这些操作。
选择总线：
在多个I2C总线存在的情况下，需要选择要使用的I2C总线。通常，每个I2C总线都由一个独立的控制器和相关的硬件资源管理。选择总线的方法可以是根据硬件连接关系，或者根据设备的地址范围等。
发起通信：
在进行I2C通信之前，需要发起通信请求。通信请求包括设备地址、读写操作、寄存器地址（如果适用）以及数据长度等信息。在Linux内核中，可以使用i2c_transfer()函数发起通信请求。
生成起始信号：
为了开始一次I2C通信，主设备（通常是控制器）需要发送起始信号。起始信号表示一次新的通信开始，并引导设备进行相应的响应。
传输数据：
在I2C通信中，数据传输通过时钟信号和数据信号线进行。主设备通过时钟信号控制数据的传输速率，而数据信号线上的电平则表示传输的二进制数据。主设备和从设备通过时钟同步进行数据的传输。
等待应答：
在主设备发送数据字节后，它会等待从设备的应答信号。应答信号可以是从设备拉低数据线，表示准备接收下一个字节；或者释放数据线，表示拒绝接收数据。
终止通信：
在完成一次I2C通信后，需要发送终止信号来结束通信。终止信号表示一次通信的结束，并将总线释放给其他设备。
错误处理：
在I2C通信过程中，可能会发生错误，如设备无响应、数据传输失败等。在Linux内核中，I2C算法提供了相应的错误处理机制，允许驱动程序检测和处理通信错误。

I2C adapter

I2C适配器是一种硬件设备，用于在计算机系统中提供I2C总线的物理接口和信号转换功能。它充当I2C主控制器的角色，负责管理和控制连接在I2C总线上的从设备。适配器提供物理接口、信号转换、主控制器功能、多总线支持等特点和功能，通过相应的驱动程序与操作系统进行通信。简单来说，一根i2c总线就是一个I2C adapter。

I2C适配器的作用如下：

物理接口：
I2C适配器提供了计算机系统与I2C总线之间的物理接口。它通常包括多个I2C总线连接点，每个连接点可以连接一个或多个I2C设备。I2C适配器的物理接口可以是标准的I2C引脚，如SDA（Serial Data Line）和SCL（Serial Clock Line），也可以是其他物理接口，如GPIO（General Purpose Input/Output）引脚。
信号转换：
I2C适配器负责将计算机系统的电平和信号转换为符合I2C总线规范的电平和信号。它可以将计算机系统的电平转换为I2C总线所需的电平，如将3.3V或5V电平转换为I2C的标准电平（通常为3.3V）。此外，适配器还负责将计算机系统的时钟信号和数据信号转换为I2C总线所需的时钟和数据信号。
主控制器功能：
I2C适配器充当I2C总线的主控制器，负责发起和管理I2C通信。它可以向从设备发送读取和写入命令，接收从设备的应答信号，并控制数据的传输速率和时序。适配器还负责生成起始信号和终止信号，以标识一次通信的开始和结束。
多总线支持：
一些I2C适配器支持多个独立的I2C总线。这允许在同一个计算机系统上连接多个I2C总线，并通过适配器进行独立的控制和管理。每个总线可以具有不同的时钟频率、地址范围和连接设备。
驱动程序支持：
I2C适配器通常需要相应的驱动程序来与操作系统进行通信。驱动程序负责将适配器的功能暴露给操作系统，并提供对适配器的控制和配置接口。在Linux内核中，提供了一组通用的I2C适配器驱动程序接口，使开发人员能够编写适配器特定的驱动程序。
软件工具支持：
为了方便使用和调试，一些I2C适配器提供了相应的软件工具。这些工具可以用于扫描和探测已连接的I2C设备、读取和写入设备的寄存器、显示设备的状态和信息等。