【I2C】Linux I2C子系统分析

news2025/1/12 17:05:23

文章目录

  • 一、I2C体系架构
  • 二、主要的结构体
    • 1. i2c_adapter
    • 2. i2c_algorithm
    • 3. i2c_driver
    • 4. i2c_client
      • 4.1 方式一：通过I2C bus number静态方式来创建
      • 4.2 方式二：通过Device Tree来创建
      • 4.3 方式三：直接通过i2c_new_device来创建
      • 4.3 方式四：通过用户空间(user-space)手动来创建
    • 5. i2c_msg
  • 三、参考资料
  • 四、验证测试时使用

一、I2C体系架构

主要由三部分组成：

  1. I2C核心层
    提供I2C Adapter、I2C设备驱动的注册和注销方法，I2C Algorithm通信方法，与适配器无关的代码以及探测设备等。
  2. I2C Adapter控制器驱动
    它一般是由芯片原厂来完成编写，根据Device Tree里面的I2C硬件资源来配置新的I2C Adapter，然后将它注册到I2C核心层。
  3. I2C设备驱动
    I2C设备驱动它包含：I2C Driver和I2C Client。i2c_driver会提供该类I2C硬件的驱动方法，I2C Client会提供当前真实I2C物理设备信息，如：I2C设备地址、挂载的哪条I2C总线(I2C Adapter)等。

在这里插入图片描述

二、主要的结构体

1. i2c_adapter

一般i2c adapter的注册都是由芯片原厂来完成，它一般存放在kernel\drivers\i2c\busses\目录下。==i2c_adapter==的核心是i2c_algorithm，主要是它提供了I2C read/write收发数据的时方法。

struct i2c_adapter {
	const struct i2c_algorithm *algo; /* 存放I2C传输数据的方法 */
	...
	int nr; // I2C adapter的编号，默认从0开始。
	char name[48]; // adapter的name，如：i2c@21a4000
	...
};

下面以kernel\drivers\i2c\busses\i2c-imx.c注册一个I2C Adapter的为例，简答分析它如何注册的一个adapter的。
设备树里面的compatible和驱动里面的of_device_id.compatible匹配成功后，就调用驱动里面的probe函数。
probe函数主要完成如下几个步骤：

  1. 给i2c adapter申请空间
  2. 初始化i2c adapter
  3. 将i2c adapter注册到i2c核心层
struct imx_i2c_struct {
	struct i2c_adapter	adapter;
	...
};

static int i2c_imx_probe(struct platform_device *pdev)
{
	...
	/* 1.给i2c adapter申请空间 */
	i2c_imx = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*i2c_imx), GFP_KERNEL);
	/* 2.初始化i2c adapter */
	strlcpy(i2c_imx->adapter.name, pdev->name, sizeof(i2c_imx->adapter.name));
	i2c_imx->adapter.owner		= THIS_MODULE;
	i2c_imx->adapter.algo		= &i2c_imx_algo; // 这里就是imx实现的I2C传输数据方法
	i2c_imx->adapter.dev.parent	= &pdev->dev;
	i2c_imx->adapter.nr		= pdev->id; // 配置adaper的编号
	i2c_imx->adapter.dev.of_node	= pdev->dev.of_node;
	...
	/* 3.将i2c adapter注册到i2c核心层 */
	ret = i2c_add_numbered_adapter(&i2c_imx->adapter);
	...
}

再进一步分析i2c_add_numbered_adapter，它是如何注册一个adapter的？
它们的调用关系大致如下：
在这里插入图片描述

  • idr_alloc函数：
    新的adapter将根据总线number添加到I2C Core的全局变量i2c_adapter_idr中，为以后get对应的adapter做准备。
    在这里插入图片描述
    后面的所有的adapter的注册都会挂载在i2c_adapter_idr上，最终的结果大致如下：
    在这里插入图片描述

  • device_register函数：
    这里主要是在I2C总线下，注册一个i2c adapter类型的设备。部分代码如下：
    在这里插入图片描述
    device_register函数注册成功后，会在/sys/bus/i2c/devices目录下创建对应的文件夹。如下：
    在这里插入图片描述
    device_register函数非常的关键，在adapter被添加时会导致i2c-dev.c中的i2cdev_notifier_call被调用。

    device_register
-->device_add
   -->blocking_notifier_call_chain(&dev->bus->p->bus_notifier,
  				     BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE, dev);

    因为在i2c_dev_init有注册一个notifier：

    static int i2cdev_notifier_call(struct notifier_block *nb, unsigned long action,
  		 void *data)
{
  	struct device *dev = data;
  
  	switch (action) {
  	case BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE:
  		return i2cdev_attach_adapter(dev, NULL);
  	case BUS_NOTIFY_DEL_DEVICE:
  		return i2cdev_detach_adapter(dev, NULL);
  	}
  
  	return 0;
}
  
static struct notifier_block i2cdev_notifier = {
  	.notifier_call = i2cdev_notifier_call,
};
  
static int __init i2c_dev_init(void)
{
	...
	res = bus_register_notifier(&i2c_bus_type, &i2cdev_notifier);
	...
}

    接收到通知后，i2cdev_attach_adapter就会被调用，这里创建/dev/i2c-*字符设备。代码如下：
    在这里插入图片描述
    所以，当成功添加一个i2c adapter后，都会在/dev/目录下创建i2c-*设备。结果如下：
    ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/27e0f756d3534474b493f9f149f468e5.png

  • of_i2c_register_devices函数：
    在这里插入图片描述

    • of_i2c_get_board_info：它会解析dts里面I2C子节点数据。
      &i2c1 {
clock-frequency = <100000>;
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
status = "okay";

mag3110@e {
	compatible = "fsl,mag3110";
	reg = <0x0e>;
	position = <2>;
};
    • i2c_new_device ：它创建一个i2c_client设备，实际对应外围I2C设备。
      /* 下面是i2c_new_device的调用关系 */
i2c_new_device
-->i2c_new_client_device
   -->i2c_dev_set_name
   -->device_register

static void i2c_dev_set_name(struct i2c_adapter *adap,
		     struct i2c_client *client,
		     struct i2c_board_info const *info)
{
	...
	dev_set_name(&client->dev, "%d-%04x", i2c_adapter_id(adap),
		     i2c_encode_flags_to_addr(client));
}
      i2c_dev_set_name设置I2C设备的名字，例如：0-000e，0：代表i2c adapter0 (i2c1)，000e：代表I2C设备从机地址。device_register函数会创建该设备，然后我们就可以在/sys/bus/i2c/devices目录创建对应的目录。
      在这里插入图片描述

  • i2c_scan_static_board_info函数：
    __i2c_board_list保存了通过i2c_register_board_info函数静态注册设备信息，然后根据board info信息通过i2c_new_device来创建一个i2c_client设备。
    在这里插入图片描述
    文件路径：kernel\drivers\i2c\i2c-boardinfo.c

    int i2c_register_board_info(int busnum, struct i2c_board_info const *info, unsigned len)
{
	...
	list_add_tail(&devinfo->list, &__i2c_board_list);
	...
}

2. i2c_algorithm

i2c_algorithm是根据Soc的I2C硬件寄存器来实现read、write通信的方法，适配器需要通过i2c_algorithm提供的通信函数来产生对应的访问时序。所以i2c_adapter中包含i2c_algorithm的指针。

i2c_algorithm使用master_xfer()来产生I2C时序，以i2c_msg为单位，i2c_msg代表一次传输的数据。

//I2C传输方法
struct i2c_algorithm {
    //i2c传输函数指针
    int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,
			   int num);
    //smbus传输函数指针  
    int (*smbus_xfer)(struct i2c_adapter *adap, u16 addr,
			  unsigned short flags, char read_write,
			  u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);
	...
};

？？？问题：收发数据的函数master_xfer是如何被调用的？？？
我们可以通过i2c_master_send和i2c_master_recv函数来收发I2C设备数据，从而分析它的调用关系如下：
在这里插入图片描述

3. i2c_driver

i2c_dirver就是i2c标准总线设备驱动模型中的驱动部分，它主要是现实该I2C设备具体初始化、操作函数接口等的实现，等待app程序的对该I2C设备实现业务上面的逻辑。i2c_dirver这部分的就是需要我们自己的来实现的。

// I2C设备驱动
struct i2c_driver {
	...
	/* Standard driver model interfaces */
	int (*probe)(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id);
	int (*remove)(struct i2c_client *client);
	struct device_driver driver; // 驱动的name和匹配device tree
	const struct i2c_device_id *id_table; //该设备所支持的设备ID表
};

下面是举例的一个模板代码：

static const struct of_device_id of_match_ids_xxxx[] = {
	{ .compatible = "xxxx,xxxx",		.data = NULL },
	{ /* END OF LIST */ },
};

static const struct i2c_device_id xxxx_ids[] = {
	{ "xxxx",	(kernel_ulong_t)NULL },
	{ /* END OF LIST */ }
};

static int ap3216c_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

static int ap3216c_remove(struct i2c_client *client)
{
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

static struct i2c_driver i2c_xxxx_driver = {
	.driver = {
		.name = "xxxx",
		.of_match_table = of_match_ids_xxxx,
	},
	.probe = xxxx_probe,
	.remove = xxxx_remove,
	.id_table = xxxx_ids,
};


static int __init i2c_driver_xxxx_init(void)
{
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return i2c_add_driver(&i2c_xxxx_driver);
}

static void __exit i2c_driver_xxxx_exit(void)
{
	i2c_del_driver(&i2c_xxxx_driver);
}

module_init(i2c_driver_xxxx_init);
module_exit(i2c_driver_xxxx_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4. i2c_client

i2c_clent对应真实的物理设备，每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述。i2c_driver与i2c_client是一对多的关系，一个i2c_driver上可以支持多个同类型的i2c_client。

struct i2c_client {
	unsigned short flags;		/* 标记，标记相关属性		*/
	unsigned short addr;		/* 芯片地址，7bit地址	*/
	char name[I2C_NAME_SIZE];   /* i2c设备的名称 */
	struct i2c_adapter *adapter;	/* 依附的i2c_adapter	*/
	struct device dev;		/* 该设备相关属性配置	*/
	int irq;			/* 设备使用的中断号		*/
	...
};

创建i2c_clent有四种方式，具体如下：

4.1 方式一：通过I2C bus number静态方式来创建

i2c_client可以通过i2c_register_board_info函数来创建，并且会注册到I2C总线。重要提示：这个方式最大的缺陷是就是一定要编译进内核，并且该驱动一定要在i2c adapter驱动之前就要加载，否则会导致该设备未注册从而导致对应的驱动不会被加载。 解决方法：可以使用arch_initcall将该模块提前被加载。

static int __init i2c_client_ap3216c_init(void)
{
	static struct i2c_board_info board_info[] = {
	  {I2C_BOARD_INFO("ap3216c", 0x1e),},
	};
	
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	/* register I2C device, 0:代表i2c-0总线 */
    i2c_register_board_info(0, board_info, ARRAY_SIZE(board_info));
	
	return 0;
}

arch_initcall(i2c_client_ap3216c_init);

i2c_register_board_info其实就是添加board info到__i2c_board_list全局链接，然后在添加i2c adapter时，遍历该链接将挂载当前adapter的设备进行创建。（备注：上面在介绍adapter的时候已经分析过这块，如需要可以向上回看。）

4.2 方式二：通过Device Tree来创建

这种方式是目前使用最多的方式，将需要的I2C设备信息添加到对应的I2C总线下。一般只需要包括2个单元：

  1. compatible：该name将被用来匹配i2c driver。
  2. reg ：挂载的I2C Slave设备地址，这里是7Bit地址，不包括读写位。

（备注：上面在介绍adapter的时候已经分析过这块，如需要可以向上回看。）

&i2c1 {
	clock-frequency = <100000>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
	status = "okay";
	
	mag3110@e {
		compatible = "fsl,mag3110";
		reg = <0x0e>;
		position = <2>;
	};
};

4.3 方式三：直接通过i2c_new_device来创建

其实其它方式都会最终会调用i2c_new_device来创建I2C Client设备，我们可以通过它来直接创建。使用该函数需要知道i2c_adapter，我们可以通过i2c_get_adapter函数来获取。具体参考代码如下：

static struct i2c_client *ap3216c_client;

static int __init i2c_client_ap3216c_init(void)
{
    struct i2c_adapter *adapter;

	static struct i2c_board_info board_info = {
	  I2C_BOARD_INFO("ap3216c", 0x1e),
	};
	
	printk("%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	/* register I2C device, 0:代表i2c-0总线 */
	adapter = i2c_get_adapter(0);
	ap3216c_client = i2c_new_device(adapter, &board_info);
	i2c_put_adapter(adapter);
	
	return 0;
}

static void __exit i2c_client_ap3216c_exit(void)
{
    i2c_unregister_device(ap3216c_client);
}

module_init(i2c_client_ap3216c_init);
module_exit(i2c_client_ap3216c_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.3 方式四：通过用户空间(user-space)手动来创建

调试时、或者不方便通过代码明确地生成i2c_client时，可以通过用户空间来生成。

#创建一个i2c_client, .name = "ap3216c", .addr=0x1e, .adapter是i2c-0
echo ap3216c 0x1e > /sys/bus/i2c/devices/i2c-0/new_device
  
#删除一个i2c_client
echo 0x1e > /sys/bus/i2c/devices/i2c-0/delete_device

这里所使用的new_device和delete_device是在添加i2c adapter时创建的，i2c_adapter_type包含了该设备的相关属性。
在这里插入图片描述
下面代码可以看到i2c_adapter_type就包含了new_device和delete_device相关属性，如果使用文件系统操作new_device节点，那么就会调用i2c_sysfs_new_device->i2c_new_client_device函数来创建i2c_client设备。

static ssize_t
i2c_sysfs_new_device(struct device *dev, struct device_attribute *attr,
		     const char *buf, size_t count)
{
	struct i2c_client *client;
	...
	client = i2c_new_client_device(adap, &info);
	...
}
static DEVICE_ATTR(new_device, S_IWUSR, NULL, i2c_sysfs_new_device);

static struct attribute *i2c_adapter_attrs[] = {
	&dev_attr_name.attr,
	&dev_attr_new_device.attr,
	&dev_attr_delete_device.attr,
	NULL
};
ATTRIBUTE_GROUPS(i2c_adapter);

struct device_type i2c_adapter_type = {
	.groups		= i2c_adapter_groups,
	.release	= i2c_adapter_dev_release,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_adapter_type);

下面是i2c adapter创建成功后，进入文件系统后我们可以看到的相关属性的节点。
在这里插入图片描述

5. i2c_msg

在Linux驱动里面使用i2c收发函数最终都会调用到i2c_transfer，它传输数据的单元基本都是i2c_msg 。

//I2C传输数据结构体，代表一个消息数据
struct i2c_msg {
	__u16 addr;	 //设备地址
	__u16 flags;  //标志
	__u16 len;	//消息长度
	__u8 *buf;	//消息数据
};

下面是是直接使用i2c_msg 来收发数据的伪代码如下：

struct i2c_client *xxx_client= NULL;

static int i2c_read_bytes(unsigned char *reg, char *data, int data_len)
{
    struct i2c_msg msgs[] = {
        {
            .addr    = xxx_client->addr,
            .flags    = 0,
            .len    = 1,
            .buf    = reg,
        },{
            .addr    = dev_addr,
            .flags    = I2C_M_RD,
            .len    = data_len,
            .buf    = data,
        }
    };

    if (i2c_transfer(xxx_client->adapter, msgs, 2) < 0)
        return -1;
    else
        return 0;

}

static int i2c_write__bytes(unsigned char *buf, int len)
{
    struct i2c_msg msg[] = {
        {
            .addr    = xxx_client->addr,
            .flags    = 0,
            .len    = len,
            .buf    = buf,
        }
    };

    if (i2c_transfer(xxx_client->adapter, msg, 1) < 0)
        return -1;
    else
        return 0;
}

static int xxx_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
	xxx_client = client;
	
	return 0;
}

三、参考资料

1：Linux驱动之I2C驱动架构
https://blog.51cto.com/u_11866419/4935228
2：Linux i2c 学习 -2 i2c adapter 注册
https://blog.csdn.net/Royal2012/article/details/116081632

四、验证测试时使用

测试验证四种创建i2c client的方法代码：
在这里插入图片描述
参考代码下载地址：
正在上传…

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渗透测试是一项复杂的技能&#xff0c;需要具备扎实的计算机知识&#xff0c;对网络和系统安全有深入的理解和认识。对于初学者来说&#xff0c;建议先学习计算机网络、操作系统、编程语言等相关基础知识&#xff0c;了解渗透测试的概念、流程和常用工具。同时&#xff0c;需要…
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HMR API及其原理

HMR API及其原理

很久之前&#xff0c;遇到一个面试题&#xff1a;【在代码变更之后&#xff0c;如何实时看到更新后的页面效果呢&#xff1f;】 在传统的方案中&#xff0c;我们可以通过 live reload 也就是自动刷新页面的方式来解决的&#xff0c;不过随着前端工程的日益庞大&#xff0c;开发…
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CSS3+HTML5

CSS3+HTML5

1、HTML5 2、HTML5标签 链接标签 <a href"https://www.baidu.com">打开百度&#xff0c;你就知道&#xff01;</a> 链接的属性与作用 属性1&#xff1a;href 作用&#xff1a;用于指定链接目标的url地址&#xff0c;当为标签应用href属性时…
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（2022，DynamicD）使用动态鉴别器改进 GAN

（2022，DynamicD）使用动态鉴别器改进 GAN

Improving GANs with A Dynamic Discriminator 公众号&#xff1a;EDPJ 目录 0. 摘要 1. 简介 2. 相关工作 3. 方法 3.1 基础 3.2 动态鉴别器 3.3 针对不同数据体系的两种方案 4. 实验 4.1 设置 4.2 实证研究 4.3 与现有方法的比较 4.4 DynamicD 的泛化性和兼…
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如何从底层优化memmove

如何从底层优化memmove

如何从底层优化memmove 先实现memmove: 如果没有重叠&#xff0c;可以按任何方向拷贝如果有重叠&#xff0c;先拷贝重叠位置&#xff0c;再考虑是前重叠还是后重叠 优化策略&#xff1a; 拷贝数据的时候应该根据寄存器的大小来设计拷贝单位&#xff0c;注意数据区域可能不是…
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怎么快速搭建Vue+Vite项目？

怎么快速搭建Vue+Vite项目？

快速搭建VueVite项目的步骤如下&#xff1a; 1.随便创建一个文件夹&#xff0c;用来放项目。我这里创建的文件夹名称是my-vite。 2.在当前目录的路径显示框输入cmd,快速打开cmd命令窗口 3.输入以下命令查询电脑是否已经安装了node.js&#xff0c;此时需注意node版本需要&g…
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