1. I2C GPIO系统架构简介

在Linux项目中，如果出现硬件硬件I2C不够用的情况下，我们就可以通过GPIO模拟I2C来解决。
Lnux内核的i2c-gpio是使用GPIO模拟I2C协议的驱动，在内核中已经实现了，我们要做的只需要配置2个GPIO（SDA和SCL）即可。

i2c-gpio的大致框架如下：

i2c-gpio.c：

• 解析设备树中的引脚配置信息
• 提供GPIO SDA和SCL引脚配置接口。

i2c-algo-bit.c：

• 向I2C Core注册一个adapter
• 提供I2C通信时的算法，然后通过i2c-gpio.c提供GPIO配置接口来收发数据。

注册成功后，"i2c-dev"驱动就会自动创建对应的"/dev/i2c-x"字符设备，然后我们就可以在应用层和驱动层操作该总线。

2. 如何使能I2C GPIO驱动

2.1 config配置

在对应的板级deconfig文件中，设置CONFIG_I2C_GPIO=y。
对应的选项为：

Device Drivers->
    I2C support  --->
        I2C Hardware Bus support  --->
            <*> GPIO-based bitbanging I2C

确认配置后，i2c-gpio相关驱动就会被编译进内核。

2.2 dts配置

• 修改一
  我这里是在IMX6ULL平台上测试的，修改文件：arch/arm/boot/dts/imx6ul.dtsi。
  
  ！！！为什么需要修改aliases呢？！！！
  因为在添加添加adapter时，会通过aliases的别名编号配置adapter->nr总线编号。注册成功后，会创建/dev/i2c-4设备。
  
• 修改二
  添加需要模拟i2c的gpio，一定是先放sda再放scl，因为它是在i2c-gpio.c里面定义好的，必须这么写才可以。

  i2c5:i2c5_gpio {
  	#address-cells = <1>;
  	#size-cells = <0>;
  	compatible = "i2c-gpio";
  	gpios = <&gpio1 29 GPIO_ACTIVE_HIGH>, 	/* sda */
  			<&gpio1 28 GPIO_ACTIVE_HIGH>; 	/* scl */
  	i2c-gpio,delay-us = <5>;		/* ~100 kHz */
  	status = "disabled";
  };
  

  图片效果如下：
  
  ！！！什么时候需要添加open drain属性？！！！
  使用GPIO模拟I2C模式时，一般GPIO需要工作在开漏模式。在of_i2c_gpio_get_props函数中，解析是否有定义open drain相关属性。如下：
  
  当定义i2c-gpio,sda-open-drain和i2c-gpio,scl-open-drain属性后，说明是其它子系统已经将该GPIO配置成开漏输出了，这里不再进行开漏的配置。如果dts里面不定义，就启动GPIOD_OUT_HIGH_OPEN_DRAIN配置GPIO。所以，我这里并没有定义该属性，需要它在这里配置为开漏。
  
• 修改三
  使能模拟i2c5总线，并且在该总线下挂载ap3216c设备。

  &i2c5 {
  	status = "okay";
  	
  	ap3216c@1e {
  		compatible = "lite-on,ap3216c";
  		reg = <0x1e>;
  	};
  };
  

2.3 测试验证

重新编译烧录固件后，这里新增了/dev/i2c-4总线设备，它就是我们新增的GPIO模拟I2C总线设备。

使用i2c_tools测试该总线，可以正常的识别到设备，说明移植已经成功了。（备注：需要了解i2c_tools使用的，可以参考这篇博客《【I2C】基于Linux移植i2c-tool工具》）

3. 简单分析i2c-gpio.c驱动

前面已经提到i2c-gpio.c驱动主要是3个功能：

3.1 解析设备树

在probe函数中会调用of_i2c_gpio_get_props函数来解析相关属性：

• i2c-gpio,delay-us：配置每个bit的使用时间，也就是I2C通信时Clock的频率。
• i2c-gpio,timeout-ms：配置i2c通信时的超时时间，如果超过这个时间没有收到ack，说明通信失败。
• i2c-gpio,sda-open-drain：是否有在其它子系统里面定义了sda gpio为开漏模式，如果有就定义该属性。
• i2c-gpio,scl-open-drain：是否有在其它子系统里面定义了scl gpio为开漏模式，如果有就定义该属性。
• i2c-gpio,scl-output-only：配置scl gpio只支持输出模式，不支持输入模式。

具体代码如下：

static void of_i2c_gpio_get_props(struct device_node *np,
				  struct i2c_gpio_platform_data *pdata)
{
	u32 reg;

	of_property_read_u32(np, "i2c-gpio,delay-us", &pdata->udelay);

	if (!of_property_read_u32(np, "i2c-gpio,timeout-ms", &reg))
		pdata->timeout = msecs_to_jiffies(reg);

	pdata->sda_is_open_drain =
		of_property_read_bool(np, "i2c-gpio,sda-open-drain");
	pdata->scl_is_open_drain =
		of_property_read_bool(np, "i2c-gpio,scl-open-drain");
	pdata->scl_is_output_only =
		of_property_read_bool(np, "i2c-gpio,scl-output-only");
}

通过i2c_gpio_get_desc解析dts设备树文件里面定义gpios配置：
gpios = <&gpio1 29 GPIO_ACTIVE_HIGH>, <&gpio1 28 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
具体代码如下：

	if (pdata->sda_is_open_drain)
		gflags = GPIOD_OUT_HIGH;
	else
		gflags = GPIOD_OUT_HIGH_OPEN_DRAIN;
	priv->sda = i2c_gpio_get_desc(dev, "sda", 0, gflags);
	if (IS_ERR(priv->sda))
		return PTR_ERR(priv->sda);

	if (pdata->scl_is_open_drain)
		gflags = GPIOD_OUT_HIGH;
	else
		gflags = GPIOD_OUT_HIGH_OPEN_DRAIN;
	priv->scl = i2c_gpio_get_desc(dev, "scl", 1, gflags);

3.2 配置SDA和SCL

配置操作SDA和SCL 2个GPIO的函数接口，后面可以通过它设置和获取GPIO的高低电平，具体代码如下：

bit_data->setsda = i2c_gpio_setsda_val;
bit_data->setscl = i2c_gpio_setscl_val;

if (!pdata->scl_is_output_only)
	bit_data->getscl = i2c_gpio_getscl;
bit_data->getsda = i2c_gpio_getsda;

3.3 注册到i2c-algo-bit.c

将配置好struct i2c_adapter的信息注册到i2c-algo-bit.c驱动中，具体代码如下：

adap->algo_data = bit_data;
adap->class = I2C_CLASS_HWMON | I2C_CLASS_SPD;
adap->dev.parent = dev;
adap->dev.of_node = np;

adap->nr = pdev->id; // 其实这里adapter的编号是-1，真正的编号是后面注册时aliases获取的。前面已经有分析。
ret = i2c_bit_add_numbered_bus(adap);

4. 简单分析i2c-algo-bit.c驱动

前面已经提到i2c-algo-bit.c驱动主要是2个功能：

4.1 提供I2C通信时的算法

在__i2c_bit_add_bus函数中会这一个i2c_bit_algo算法接口，我们使用i2c_transfer收发数据时，最终都会调用到i2c_bit_algo的bit_xfer函数收发数据。

const struct i2c_algorithm i2c_bit_algo = {
	.master_xfer = bit_xfer,
	.master_xfer_atomic = bit_xfer_atomic,
	.functionality = bit_func,
};

adap->algo = &i2c_bit_algo;

代码里面定义了很多模拟i2c时序的函数，就算我们自己写GPIO模拟I2C驱动，也都必须实现这些函数。

4.2 注册Adapter

向I2C Core注册一个adapter，注册成功后，"i2c-dev"驱动就会自动创建对应的"/dev/i2c-x"字符设备，然后我们就可以在应用层和驱动层操作该总线。具体代码如下：

static int __i2c_bit_add_bus(struct i2c_adapter *adap,
			     int (*add_adapter)(struct i2c_adapter *))
{
	...
	
	ret = add_adapter(adap);
	if (ret < 0)
		return ret;

	return 0;
}

int i2c_bit_add_numbered_bus(struct i2c_adapter *adap)
{
	return __i2c_bit_add_bus(adap, i2c_add_numbered_adapter);
}

5. 参考资料

Linux内核驱动：gpio模拟i2c驱动：
https://blog.csdn.net/landishu/article/details/118441943