[ 導讀] 本文通過閱讀內核代碼，來梳理一下I2C子系統(tǒng)的整體視圖。在開發(fā)I2C設備驅動程序時，往往缺乏對于系統(tǒng)整體的認識，沒有一個清晰的思路。所以從高層級來分析一下I2C系統(tǒng)的設計思路，將有助于設計調試具體的驅動程序。

I2C/SMBUS基礎

I2C是一種芯片間通訊總線技術，最早由Philips設計制定。下面內容參考I2C 2.1 規(guī)格書

• 半雙工通信方式，通信采用主/從結構
• 支持多主模式，下圖來源于I2C 2.0規(guī)格書

• 其內部電氣實現(xiàn)采用集電極開路(Open-collector)/漏極開路(open-drain)結構以實現(xiàn)線與功能，這是總線的實現(xiàn)基礎，多芯片通過查詢總線狀態(tài)實現(xiàn)介質仲裁以實現(xiàn)總線控制。
• 總線信號由兩線實現(xiàn)，串行時鐘線SCL(Serial Clock Line)/串行數(shù)據(jù)線SDA(serial Data Line)。
• 具有三種通訊速率模式：
• standard mode:0-100 kbps  (bps: bit/s)
• Fast mode：0-400 kbps
• High-speed mode : 0-3.4Mbps
• 可支持混速模式

• 不同的速率在硬件設計時需要注意信號的完整性，I2C總線等效電容cx
• 支持7bit/10bit 兩種芯片地址模式
• I2C總線電氣特性，這個非常重要，須嚴格遵守標準的電氣特性

• SMBUS(system management bus) 。大多數(shù)SMBus系統(tǒng)也符合I2C，電氣約束對于SMBus更為嚴格，并且它標準化了特定的協(xié)議消息和習慣用語。支持I2C的控制器也可以支持大多數(shù)SMBus操作，但是SMBus控制器并不支持I2C控制器將支持的所有協(xié)議選項。通過使用I2C原語或通過向不支持這些I2C操作的i2c_adapter設備發(fā)出SMBus命令，可以執(zhí)行各種SMBus協(xié)議操作。

  http://smbus.org/

• I2C bus(Inter-Integrated Circuit bus) https://www.i2c-bus.org/

I2C 在Linux設備中的拓撲結構

• 在PC體系中，大體如下拓撲：

• 在嵌入式應用中，則可能為：

嵌入式應用中，則可能更多的情況是處理器內置了I2C/SMBUS總線控制器，直接可得到I2C/SMBUS總線。嵌入式系統(tǒng)中常常會設計很多傳感器掛載在I2C總線上，比如溫度檢測，壓力檢測等等，又或者諸如電容觸摸屏、電源管理IC等等。

代碼實現(xiàn)

• I2C 的core實現(xiàn)位于./drivers/i2c/下，實現(xiàn)了I2C總線設備以及驅動（適配器）和設備驅動的注冊、注銷方法，I2C通信方法algorithm抽象，以及與具體硬件無關的代碼
• I2C主控制器驅動位于 ./drivers/i2c/busses/，這里主要實現(xiàn)總線控制器，具體體現(xiàn)為i2c_adapter的實現(xiàn)。負責I2C適配器與從設備通信。I2C總線驅動由i2c_adapter和i2c_algorithm來抽象描述。
• 設備驅動則分散在./driver/下，這取決于具體的實現(xiàn)，種類繁多。
• i2c-dev，大多位于drivers/i2c/i2c-dev.c，這種方法只是封裝了主機（I2Cmaster，一般是SoC中內置的I2C控制器）的I2C基本操作，并且向應用層提供相應的操作接口，應用層代碼需要自己去實現(xiàn)對slave的控制和操作，所以這種I2C驅動相當于提供給應用層可以訪問slave硬件設備的接口，本身并未對硬件做任何操作，應用需要實現(xiàn)對硬件的操作。這種模式也稱為應用驅動程序。
• 另一種I2C驅動是將所有的代碼都放在驅動層實現(xiàn)，直接向應用層提供最終結果。應用層甚至不需要知道這里面有I2C存在，譬如電容式觸摸屏驅動，直接向應用層提供/dev/input/event1的操作接口，應用層編程的人根本不知道event1中涉及到了I2C。

I2C子系統(tǒng)的主要目的是，對I2C總線以及設備利用面向對象編程思想實現(xiàn)統(tǒng)一建模，以高內聚-低耦合的軟件工程思想，實現(xiàn)一個分層體系結構，以便于內核統(tǒng)一管理I2C設備，從而可以更容易的在linux下實現(xiàn)I2C設備以及高可移植。

主要數(shù)據(jù)結構

其內部有幾個關鍵數(shù)據(jù)結構，來梳理一下：

• i2c_client, 用于抽象掛載在I2C總線上的從設備
• i2c_driver,用于驅動掛載在I2C總線的從設備，也即從設備的設備驅動程序
• i2c_adapter，用于抽象I2C的主設備
• i2c_algorithm，抽象I2C總線操作接口

i2c_devinfo

該結構體主要用于板級I2C信息管理

i2c_msg

該結構體主要用于抽象I2C報文。

i2c_timings

主要用于抽象I2C電氣特性，對于支持設備樹的系統(tǒng)構建而言，主要通過以下內核接口函數(shù)，從設備樹解析電氣特性參數(shù)。

void i2c_parse_fw_timings(struct device *dev, struct i2c_timings *t, bool use_defaults) { int ret; memset(t, 0, sizeof(*t));

 ret = device_property_read_u32(dev, "clock-frequency", &t->bus_freq_hz); if (ret && use_defaults)
  t->bus_freq_hz = 100000;

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-rising-time-ns", &t->scl_rise_ns); if (ret && use_defaults) { if (t->bus_freq_hz <= 100000)
   t->scl_rise_ns = 1000; else if (t->bus_freq_hz <= 400000)
   t->scl_rise_ns = 300; else t->scl_rise_ns = 120;
 }

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-falling-time-ns", &t->scl_fall_ns); if (ret && use_defaults) { if (t->bus_freq_hz <= 400000)
   t->scl_fall_ns = 300; else t->scl_fall_ns = 120;
 }

 device_property_read_u32(dev, "i2c-scl-internal-delay-ns", &t->scl_int_delay_ns);

 ret = device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-falling-time-ns", &t->sda_fall_ns); if (ret && use_defaults)
  t->sda_fall_ns = t->scl_fall_ns;

 device_property_read_u32(dev, "i2c-sda-hold-time-ns", &t->sda_hold_ns);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(i2c_parse_fw_timings);

i2c_device_identity

該結構體主要用于抽象I2C 設備的ID屬性，通過內核接口函數(shù)i2c_get_device_id以獲取設備ID屬性。

總體框架

概述

Linux I2C編程接口支持總線交互的主端和從端。從高層級看由兩種驅動程序和兩種設備構成：

• 適配器設備與適配器設備驅動對：I2C 適配器驅動程序用于抽象控制器硬件;它綁定到一個物理設備(可能是一個PCI設備(PC體系多一些)或platform_device(嵌入式應用居多))，并構建i2c_adapter實體以呈現(xiàn)所管理的1個I2C總線段。

  static const struct platform_device_id s3c24xx_driver_ids[] = { {
    .name  = "s3c2410-i2c",
    .driver_data = 0,
   }, {
    .name  = "s3c2440-i2c",
    .driver_data = QUIRK_S3C2440,
   }, {
    .name  = "s3c2440-hdmiphy-i2c",
    .driver_data = QUIRK_S3C2440 | QUIRK_HDMIPHY | QUIRK_NO_GPIO,
   }, { },
  };
  MODULE_DEVICE_TABLE(platform, s3c24xx_driver_ids);

• pci-I2C 適配器設備。如在i2c-ali1535.c中：
• platform_device。比如：i2c-s3c2410，如下：

/* ALI1535 device address register bits */ #define ALI1535_RD_ADDR  0x01 /* Read/Write Bit in Device */ /*  Address field  */ /*  -> Write = 0  */ /*  -> Read  = 1  */ #define ALI1535_SMBIO_EN 0x04 /* SMB I/O Space enable  */ /*PCI 設備驅動*/ static struct pci_driver ali1535_driver; static unsigned long ali1535_smba; static unsigned short ali1535_offset;