linux设备驱动程序-i2c(1):i2c总线的添加与实现

linux设备驱动程序-i2c(1):i2c总线的添加与实现

(基于4.14内核版本)
在上一章节linux设备驱动程序-i2c(0)-i2c设备驱动源码实现中，我们演示了i2c设备驱动程序的源码实现，从这一章节开始，我们来剖析i2c设备驱动程序框架的实现原理。

前情回顾

在这之前，建议各位先阅读博主之前的两篇博客以建立基本linux内核串行通信框架的概念：
linux设备驱动程序--串行通信驱动框架分析
linux设备驱动程序--bus

i2c总线的初始化

分析i2c框架自然是从i2c总线的初始化开始，一切内核中i2c的相关操作都将建立在i2c总线的基础上。

在实际驱动开发过程中，i2c总线也是集成在系统中的，驱动开发者不需要关心i2c总线的初始化，只需要将相应的i2c_client和i2c_driver挂载在总线上进行匹配即可。

将总线注册到系统

那么，i2c总线在系统中是如何初始化得来的呢？

答案就在文件i2c-core-base.c中，它的过程是这样的：

static int __init i2c_init(void)
{
    ...
    bus_register(&i2c_bus_type);
    ...
}
postcore_initcall(i2c_init);

在i2c_init函数中，使用bus_register()将i2c总线注册到系统中，那么这个i2c_init()函数是在哪里被调用的呢？

在内核启动的过程中，进入C语言环境的第一个入口函数是start_kernel()，但是i2c_init()并非由start_kernel()间接调用，而是借助于linux内核中的initcall机制被调用，简而言之，就是将这个函数地址在编译阶段放入特定的段中，在内核初始化时由某个启动函数将这些段中的函数一一取出并执行。

i2c总线通过postcore_initcall()将init函数注册到系统中，postcore_initcall的详解可以参考另一篇博客：linux init机制。

总线对应的参数

在上一节中的bus_register()注册函数中，从函数名可以看出，将i2c_bus_type注册到bus系统中，我们再来看看i2c_bus_type是何方神圣：

struct bus_type {
    ...
    int (*match)(struct device *dev, struct device_driver *drv);
    int (*uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
    int (*probe)(struct device *dev);
    int (*remove)(struct device *dev);
    void (*shutdown)(struct device *dev);
    int (*online)(struct device *dev);
    int (*offline)(struct device *dev);
    int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
    int (*resume)(struct device *dev);

    struct subsys_private *p;
    ...
};

struct bus_type i2c_bus_type = {
    .name		= "i2c",
    .match		= i2c_device_match,
    .probe		= i2c_device_probe,
    .remove		= i2c_device_remove,
    .shutdown	= i2c_device_shutdown,
};

当这个模块被加载进系统时，就会执行i2c_init函数来进行初始化。

struct bus_type结构体描述了linux中的各种bus，比如spi bus，i2c bus，platform bus等等，可以看到，在i2c_bus_type中，定义了match(),probe(),remove()和shutdown()函数，match()函数就是当有新的i2c_client或者i2c_driver添加进来时，试图寻找与新设备匹配的项，返回匹配的结果。

remove()和shutdown()，顾名思义，这两个函数是管理的驱动移除行为的。

而对于probe函数，在之前的章节中提到：当相应的device和driver经由总线匹配上时，会调用driver部分提供的probe函数。

那么：

• 总线的probe函数和具体驱动driver部分的probe函数是怎么一个关系呢？
• match函数和probe函数到底是怎么被调用的，以及执行一些什么行为呢？

带着这两个疑问，我们接着往下看。

match()和probe()

在这里我们不免要回顾一下前面章节所说的，作为一个驱动开发者，如果我们要开发某些基于i2c的设备驱动，需要实现的框架流程是怎样的：

• 填充一个i2c_driver结构体，如果以设备树方式匹配，需要填充of_match_table部分，如果是其他总线方式匹配，需要填充.driver.name或者.id_table属性，然后提供一个.probe函数以及一个.remove函数，probe中对设备进行操作，remove负责回收资源。 将i2c_driver注册到i2c总线中。
• 如果是设备树形式，提供相应的设备树节点。 如果是总线匹配形式，提供一个i2c_client部分注册到i2c总线中。
• 当双方注册到i2c总线时，device(i2c_client)和driver部分匹配，调用driver提供的probe函数。

linux下的标准总线方式的驱动框架，但是问题是，为什么device和driver都注册进去之后，就会调用driver部分提供的probe函数呢？

走进源代码

为了解决这些问题，最好的办法就是看源代码，假设我们是以设备树的方式进行匹配，device(即i2c_client)部分已经被注册到系统中，此时我们向系统中注册(insmod由driver部分程序编译的模块)相应的driver部分,接下来我们跟踪driver部分注册到i2c总线的流程，看看它是怎么实现的：
...
static struct i2c_driver drv = {
...
.probe = drv_probe,
.remove = drv_remove,
.id_table = drv_id_table,
};
static __init xxx_init(){
i2c_add_driver(&drv);
}
...

跟踪i2c_add_driver：

#define i2c_add_driver(driver)  i2c_register_driver(THIS_MODULE, driver)
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)
{
    ...
    driver->driver.bus = &i2c_bus_type;  //设置当前driver的bus类为i2c_bus_type
    driver_register(&driver->driver);
    ...
}
int driver_register(struct device_driver *drv)
{
    ...
    bus_add_driver(drv);
    ...
}

经过一系列的代码跟踪，找到了bus_add_driver()，根据名称可以知道，这个函数就是将当前i2c_driver添加到i2c_bus_type(即i2c总线)中。

接着往下看：

int bus_add_driver(struct device_driver *drv)
{
    ...
    struct bus_type *bus;
    struct driver_private *priv;
    bus = bus_get(drv->bus);            //获取的bus为上一节中介绍的i2c_bus_type
    priv->driver = drv;
    klist_add_tail(&priv->knode_bus, &bus->p->klist_drivers);
    ...
    ...
    driver_attach(drv);
    ...
}

从第一部分可以看到，将当前drv链入到bus->p->klist_drivers链表中，那么可以猜到，在注册device部分的时候，就会将device链入到bus->p->klist_devices中。

然后，再看driver_attach(drv):

int driver_attach(struct device_driver *drv)
{
    return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
}

int bus_for_each_dev(struct bus_type *bus, struct device *start,void *data, int (*fn)(struct device *, void *))
{
    ...
    while ((dev = next_device(&i)) && !error)
        error = fn(dev, data);
    ...
}
static int __driver_attach(struct device *dev, void *data)
{
    ...
    int ret;
    struct device_driver *drv = data;
    ret = driver_match_device(drv, dev);
    check_ret();
    driver_probe_device(drv, dev);
    ...
}

driver_attach调用bus_for_each_dev，传入当前驱动bus(即i2c_bus_type)，当前驱动drv，以及一个函数__driver_attach。

bus_for_each_dev对每个device部分调用__driver_attach。

在__driver_attach中，对每个drv和dev调用driver_match_device()，并根据函数返回值决定是否继续执行调用driver_probe_device()。

从函数名来看，这两个函数大概就是我们在前文中提到的match和probe函数了，我们不妨再跟踪看看，先看看driver_match_device()函数：

static inline int driver_match_device(struct device_driver *drv,struct device *dev)
{
    return drv->bus->match ? drv->bus->match(dev, drv) : 1;
}

果然不出所料，这个函数十分简单，如果当前驱动的所属的bus有相应的match函数，就调用match函数，否则返回1.

当前driver所属的总线为i2c_bus_type，根据上文i2c总线的初始化部分可以知道，i2c总线在初始化时提供了相应的match函数，所以，总线的match函数被调用，并返回匹配的结果。

接下来我们再看看driver_probe_device()函数：

int driver_probe_device(struct device_driver *drv, struct device *dev)
{
    ...
    really_probe(dev, drv);
    ...
}
static int really_probe(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    ...
    if (dev->bus->probe) {
	ret = dev->bus->probe(dev);
	if (ret)
		goto probe_failed;
    } 
    else if (drv->probe) {
        ret = drv->probe(dev);
        if (ret)
            goto probe_failed;
    }
    ...
}

在driver_probe_device中又调用了really_probe，在really_probe()中，先判断当前bus总线中是否注册probe()函数如果有注册，就调用总线probe函数，否则，就调用当前drv注册的probe()函数。

到这里，我们解决了上一节中的一个疑问：总线和driver部分都有probe函数时，程序是怎么处理的？

答案已经显而易见了：优先调用总线probe函数。

而且我们理清了总线的match()函数和probe()函数是如何被调用的。

那么，上一节中还有一个疑问没有解决：总线的match和probe函数执行了一些什么行为？

总线probe函数

我们直接根据i2c总线初始化时设置的probe函数来查看：

struct bus_type i2c_bus_type = {
    .match		= i2c_device_match,
    .probe		= i2c_device_probe,
};
static int i2c_device_probe(struct device *dev)
{
    ...
    struct i2c_driver	*driver;
    driver = to_i2c_driver(dev->driver);
    if (driver->probe_new)
        status = driver->probe_new(client);
    else if (driver->probe)
        status = driver->probe(client,
                    i2c_match_id(driver->id_table, client));
    else
        status = -EINVAL;
    ...
}

对于总线probe函数，获取匹配成功的device，再由device获取driver，优先调用driver->probe_new,因为driver中没有设置，直接调用driver的probe函数。

总线probe和driver的probe函数的关系就是：当match返回成功时，优先调用总线probe，总线probe完成一系列的初始化，再调用driver的probe函数，如果总线probe函数不存在，就直接调用driver的probe函数，所以当我们在系统中添加了相应的device和driver部分之后，driver的probe函数就会被调用。

总线match函数

对于总线match函数，我们直接查看在i2c总线初始化时的函数定义：

struct bus_type i2c_bus_type = {
    .match		= i2c_device_match,
    .probe		= i2c_device_probe,
};

static int i2c_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
    struct i2c_client	*client = i2c_verify_client(dev);
    struct i2c_driver	*driver;

    if (i2c_of_match_device(drv->of_match_table, client))
        return 1;

    if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
        return 1;

    driver = to_i2c_driver(drv);

    if (i2c_match_id(driver->id_table, client))
        return 1;

    return 0;
}

i2c_device_match就是i2c_driver与i2c_device匹配的部分，在i2c_device_match函数中，可以看到，match函数并不只是提供一种匹配方式：

• i2c_of_match_device，看到of我们就应该马上意识到这是设备树的匹配方式。
• acpi_driver_match_device则是acpi的匹配方式，acpi的全称为the Advanced Configuration & Power Interface，高级设置与电源管理。
• i2c_match_id(),通过注册i2c_driver时提供的id_table进行匹配，这是设备树机制产生之前的主要配对方式。

接下来再深入函数内部，查看匹配的细节部分：

设备树匹配方式

const struct of_device_id *i2c_of_match_device(const struct of_device_id *matches,
            struct i2c_client *client)
{
    const struct of_device_id *match;
    match = of_match_device(matches, &client->dev);
    if (match)
        return match;

    return i2c_of_match_device_sysfs(matches, client);
}

在i2c_of_match_device中，调用了of_match_device()和i2c_of_match_device_sysfs()两个函数，这两个函数代表了两种匹配方式，先来看看of_match_device：

const struct of_device_id *of_match_device(const struct of_device_id *matches,const struct device *dev)
{
    if ((!matches) || (!dev->of_node))
        return NULL;
    return of_match_node(matches, dev->of_node);
}
const struct of_device_id *of_match_node(const struct of_device_id *matches,const struct device_node *node)
{
    const struct of_device_id *match;
    match = __of_match_node(matches, node);
    return match;
}
static const struct of_device_id *__of_match_node(const struct of_device_id *matches,const struct device_node *node)
{
    ...
    const struct of_device_id *best_match = NULL;
    for (; matches->name[0] || matches->type[0] || matches->compatible[0]; matches++) {
        __of_device_is_compatible(node, matches->compatible,
                        matches->type, matches->name);
        ...
    }
    ...
}

of_match_device调用of_match_node。

of_match_node调用__of_match_node函数。

如果你对设备树有一定的了解，就知道系统在初始化时会将所有设备树子节点转换成由struct device_node描述的节点。
了解linux设备树可以参考我的另一系列博客：linux设备驱动程序-设备树(0)-dtb格式
在被调用的__of_match_node函数中，对device_node中的compatible属性和driver部分的of_match_table中的compatible属性进行匹配，由于compatible属性可以设置多个，所以程序中会对其进行逐一匹配。

我们再回头来看设备树匹配方式中的i2c_of_match_device_sysfs()匹配方式：

static const struct of_device_id*  i2c_of_match_device_sysfs(const struct of_device_id *matches,struct i2c_client *client)
{
    const char *name;
    for (; matches->compatible[0]; matches++) {
        if (sysfs_streq(client->name, matches->compatible))
            return matches;
        name = strchr(matches->compatible, ',');
        if (!name)
            name = matches->compatible;
        else
            name++;
        if (sysfs_streq(client->name, name))
            return matches;
    }
    return NULL;
}

由i2c_of_match_device_sysfs()的实现可以看出:当设备树中不存在设备节点时，driver部分的of_match_table中的compatible属性试图去匹配i2c_client(device部分)的.driver.name属性.

因为设备树的默认规则，compatible属性一般形式为"vender_id,product_id"，当compatible全字符串匹配不成功时，取product_id部分再进行匹配，这一部分主要是兼容之前的不支持设备树的版本。

acpi匹配方式较为少用且较为复杂，这里暂且不做详细讨论

id_table匹配方式

同样的，我们查看i2c_match_id(driver->id_table, client)源代码：

const struct i2c_device_id *i2c_match_id(const struct i2c_device_id *id,
					const struct i2c_client *client)
{
    while (id->name[0]) {
        if (strcmp(client->name, id->name) == 0)
            return id;
        id++;
    }
    return NULL;
}

这种匹配方式一目了然，就是对id_table(driver部分)中的.name属性和i2c_client(device部分)的.name属性进行匹配。那么i2c_client的.name是怎么来的呢？

在非设备树的匹配方式中，i2c_client的.name属性由驱动开发者指定，而在设备树中，i2c_client由系统对设备树进行解析而来,i2c_client的name属性为设备树compatible属性"vender_id,product_id"中的"product_id",所以，在进行匹配时，默认情况下并不会严格地要求
of_match_table中的compatible属性和设备树中compatible属性完全匹配，driver中.drv.name属性和.id.name属性也可以与设备树中的"product_id"进行匹配。

好了，关于linux i2c总线的初始化以及运行机制的讨论就到此为止啦，如果朋友们对于这个有什么疑问或者发现有文章中有什么错误，欢迎留言

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祝各位早日实现项目丛中过，bug不沾身.