• msm7227平台linux I2C驱动分析(2.6.29)

    msm7227平台linux I2C驱动分析(2.6.29)

    分类： linux android linux驱动2010-07-21 19:26 2564人阅读 评论(11) 收藏 举报


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    Date Issue Description Author    
    <08/07/2010> <1.0> Msm7227平台I2C驱动分析 滕景东    
           
         
    目录
    1. 摘要 3
    2. 简介 3
    3. I2C架构 3
    4. I2C总线初始化 4
    5. I2C适配器驱动 5
    6. I2C设备驱动 9
    7. 用户空间驱动支持 12
    8. 数据传输框架 16
    9. References 16

     

    1. 摘要
    主要介绍Msm7227平台上I2C驱动原理，多数部分是29内核标准架构。
    2. 简介
    I2C只有两条线,一条串行数据线:SDA,一条是时钟线SCL。I2C是一种多主机控制总线，同一总线上可允许多个master. 
    i2c总线适配器（adapter）就是一条i2c总线的控制器，在物理连接上若干i2c设备。在linux驱动中，每种处理器平台有自己的适配器驱动。
    3. I2C架构

    内核中i2c相关代码可以分为三个层次：
    i2c框架层：i2c.h和i2c-core.c为其主体框架代码，提供了核心数据结构的定义、i2c适配器驱动和设备驱动的注册、注销管理等；i2c-dev.c用于创建i2c适配器的/dev/i2c-%d设备节点，提供i2c设备的用户空间访问方法等。
    i2c总线适配器驱动：i2c/busses/目录下，如i2c-msm.c。定义描述具体i2c总线适配器的i2c_adapter数据结构、实现在具体i2c适配器上的i2c总线通信的具体实现，并由i2c_algorithm数据结构描述与i2c设备通信的方法。
    i2c设备驱动：定义描述具体设备的i2c_client和可能的私有数据结构。

                         
     
     上图展示了内核I2C结构大整体框架，以下根据内核加载顺序介绍I2C总线初始化，I2C总线适配器驱动，I2C设备驱动和用户空间驱动支持及数据传输框架五部分介绍。
    4. I2C总线初始化
     
    该过程主要完成了sysfs总线结构，最终形成如下结构：
    /sys/bus/i2c/
    |-- devices
    |-- drivers
    |   |-- dummy
    |      |-- bind
    |      |-- uevent
    |      `-- unbind
    |-- drivers_autoprobe
    |-- drivers_probe
    `-- uevent
    和
    /sys/class/i2c-adapter/
    dummy_driver仅仅是注册了一个空的设备驱动，注册驱动时会遍历加载/sys/class/i2c-adapter/中的所有设备，该过程在初始话总线过程中完成，/sys/class/i2c-adapter/基本为空，所以我认为这里的驱动注册只是验证i2c总线结构的完整性考虑的。
    5. I2C适配器驱动


    Linux内核的所有适配器驱动程序都在driver/i2c/busses/目录下，当前高通的驱动是i2c-msm.c,适配器驱动的注册过程如下：

     
    在kernel中提供了两个adapter注册接口,分别为i2c_add_adapter()和i2c_add_numbered_adapter().由于在系统中可能存在多个adapter，因为将每一条I2C总线对应一个编号,下文中称为I2C总线号。对于i2c_add_adapter()而言,它使用的是动态总线号,即由系统给其分配一个总线号，而i2c_add_numbered_adapter()则是自己指定总线号，如果这个总线号非法或者是被占用，就会注册失败。高通的adapter驱动使用了i2c_add_numbered_adapter()注册，总线号最初保存在platform_data中。
    I2C adapter以platform_device方式注册进系统，在proble函数中初始化了struct i2c_adapter结构：

    1. struct i2c_adapter {  
    2.  struct module *owner;  
    3.  unsigned int id;  
    4.  unsigned int class;    /* classes to allow probing for */  
    5.  const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */  
    6.  void *algo_data;  
    7.   
    8.  /* --- administration stuff. */  
    9.  int (*client_register)(struct i2c_client *);  
    10.  int (*client_unregister)(struct i2c_client *);  
    11.   
    12.  /* data fields that are valid for all devices */  
    13.  u8 level;    /* nesting level for lockdep */  
    14.  struct mutex bus_lock;  
    15.  struct mutex clist_lock;  
    16.   
    17.  int timeout;   /* in jiffies */  
    18.  int retries;  
    19.  struct device dev;  /* the adapter device */  
    20.   
    21.  int nr; /*该成员描述了总线号*/  
    22.  struct list_head clients; /* i2c_client结构链表，该结构包含device，driver和 
    23. adapter结构*/  
    24.  char name[48];  
    25.  struct completion dev_released;  
    26. };  

    其中nr的值是在arch/arm/mach-msm/devices.c中定义的：

    1. struct platform_device msm_device_i2c = {  
    2.  .name  = "msm_i2c",  
    3.  .id  = 0,  
    4.  .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c),  
    5.  .resource = resources_i2c,  
    6. };  
    7. struct platform_device msm_device_i2c_2 = {  
    8.  .name  = "msm_i2c",  
    9.  .id  = 2,  
    10.  .num_resources = ARRAY_SIZE(resources_i2c_2),  
    11.  .resource = resources_i2c_2,  
    12. };  

    该结构以参数形式传进i2c_add_numbered_adapter()，下一步将进入

    1. static int i2c_register_adapter(struct i2c_adapter *adap)  
    2. {  
    3.  int res = 0, dummy;  
    4.   
    5.  /* Can't register until after driver model init */  
    6.  if (unlikely(WARN_ON(!i2c_bus_type.p)))  
    7.   return -EAGAIN;  
    8.   
    9.  mutex_init(&adap->bus_lock);  
    10.  mutex_init(&adap->clist_lock);  
    11.  INIT_LIST_HEAD(&adap->clients);/*初始化设备链表*/  
    12.   
    13.  mutex_lock(&core_lock);  
    14.   
    15.  /* Add the adapter to the driver core. 
    16.   * If the parent pointer is not set up, 
    17.   * we add this adapter to the host bus. 
    18.   */  
    19.  if (adap->dev.parent == NULL) {  
    20.   adap->dev.parent = &platform_bus;/*父设备是platform_bus*/  
    21.   pr_debug("I2C adapter driver [%s] forgot to specify "  
    22.     "physical device/n", adap->name);  
    23.  }  
    24.  dev_set_name(&adap->dev, "i2c-%d", adap->nr);/*设备节点名字*/  
    25.  adap->dev.release = &i2c_adapter_dev_release;  
    26.  adap->dev.class = &i2c_adapter_class;  
    27.  res = device_register(&adap->dev); /*注册adapter这个设备本身*/  
    28.  if (res)  
    29.   goto out_list;  
    30.   
    31.  dev_dbg(&adap->dev, "adapter [%s] registered/n", adap->name);  
    32.   
    33.  /*以下部分完成i2c设备和驱动的注册*/  
    34.  if (adap->nr < __i2c_first_dynamic_bus_num)/*主板初始化时的动态总线号，该值已导出符号表*/  
    35.   i2c_scan_static_board_info(adap);/*完成新类型i2c设备的注册，一般只在主板初始化时*/  
    36.   
    37.  /* Notify drivers */  
    38.  dummy = bus_for_each_drv(&i2c_bus_type, NULL, adap,  
    39.      i2c_do_add_adapter);  /*探测总线上的所有i2c设备驱动，同时完成client、driver、device、adapter的绑定，但driver->address_data非空的情况下有用，而这又意味着只对旧的i2c机制有效*/  
    40.   
    41. out_unlock:  
    42.  mutex_unlock(&core_lock);  
    43.  return res;  
    44.   
    45. out_list:  
    46.  idr_remove(&i2c_adapter_idr, adap->nr);  
    47.  goto out_unlock;  
    48. }  

    i2c_scan_static_board_info对应的初始化过程在board-msm7x27.c中完成，
    i2c_register_board_info(0, i2c_devices, ARRAY_SIZE(i2c_devices));
    6. I2C设备7. 驱动
    驱动的编写方法已在《msm7227-I2C设备驱动实现要点.doc》中介绍，此节分析驱动和设备的注册过程。
     
    本还想详细分析代码，但发现，这张图已经足够说明i2c驱动的注册过程了，下面对我看代码时碰到的一些问题简要分析。
    设备和驱动的关联
    大家知道，对于一个驱动程序有两个元素不可或缺，即设备和驱动，一般驱动都是通过设备名和驱动名的匹配建立关系的，我从i2c/chips/里看到的示例代码了只能发现驱动的注册，却不见设备注册的踪影，令人疑惑，跟踪发现，在i2c adapter注册时会遍历i2c_board_info这样一个结构，而这个结构在29以前或更早的内核里是不存在的，该数据结构在board-msm7x27.c中初始化了i2c设备名及设备地址，这便解决了驱动与设备的匹配问题，同时器件地址的提供也有所改变，旧的内核是在驱动中使用一个normal_i2c数组保存地址的。
    名字匹配
    一个i2c驱动是可以有多个名字的，即一个驱动程序可以支持多个设备，该机制是通过 struct i2c_device_id实现的，驱动中建立这么一个结构体数组，i2c架构层便会扫描该数组，与设备名去匹配，匹配成功的都会进入相应probe函数。
    进入probe
    该过程困惑了我一段时间，其实要进入自己驱动的probe首先需要进入总线的probe，而进入总线probe的前提是与总线的match成功，具体实现大家可以根据上面的图看一下相应代码便知。
    设备模型
    I2C的架构充分利用的设备模型的原理及sysfs的实现，我认为理解i2C架构前先了解一下设备模型是很有必要的。这里将我的个人理解总结一下：
     Kobject是设备模型的最小单位，kset是对kobject的集合，struct driver_private、struct device等结构都内嵌了kobject，kset也内嵌kobject用于表征自己。相同特性的kset的合集又构成了subsys，举个不太恰当的类比：
    kobject之于设备或驱动；kset之于某一类设备，如i2c；subsys之于子系统，如输入子系统。其实在29内核中subsys就是一个kset结构，贴两张图理解一下：
      
    8. 用户空间驱动支持
    这部分在i2c-dev.c中实现，这部分内容简单的说就是通过内嵌一个具有file_operations的标准字符设备驱动来虚拟i2c设备，这样，就可以在用户空间直接操作i2c设备了。
    流程如下图：
     
    余下的就是常规file_operation了，open操作：

    1. static int i2cdev_open(struct inode *inode, struct file *file)  
    2. {  
    3.  unsigned int minor = iminor(inode);  
    4.  struct i2c_client *client;  
    5.  struct i2c_adapter *adap;  
    6.  struct i2c_dev *i2c_dev;  
    7.  int ret = 0;  
    8.   
    9.  lock_kernel();/*内核上锁，一般只在多cpu是有用*/  
    10.  i2c_dev = i2c_dev_get_by_minor(minor);/*因为有两个adapter，同一个主设备号*/  
    11.  if (!i2c_dev) {  
    12.   ret = -ENODEV;  
    13.   goto out;  
    14.  }  
    15.   
    16.  adap = i2c_get_adapter(i2c_dev->adap->nr);  
    17.  if (!adap) {  
    18.   ret = -ENODEV;  
    19.   goto out;  
    20.  }  
    21.   
    22.  /* This creates an anonymous i2c_client, which may later be 
    23.   * pointed to some address using I2C_SLAVE or I2C_SLAVE_FORCE. 
    24.   * 
    25.   * This client is ** NEVER REGISTERED ** with the driver model 
    26.   * or I2C core code!!  It just holds private copies of addressing 
    27.   * information and maybe a PEC flag. 
    28.   */  
    29.  client = kzalloc(sizeof(*client), GFP_KERNEL);  
    30.  if (!client) {  
    31.   i2c_put_adapter(adap);  
    32.   ret = -ENOMEM;  
    33.   goto out;  
    34.  }  
    35.  snprintf(client->name, I2C_NAME_SIZE, "i2c-dev %d", adap->nr);  
    36.  client->driver = &i2cdev_driver;/*绑定字符设备驱动*/  
    37.   
    38.  client->adapter = adap;  
    39.  file->private_data = client;  
    40.   
    41. out:  
    42.  unlock_kernel();  
    43.  return ret;  
    44. }  

    注意这里分配并初始化了一个struct i2c_client结构.但是没有注册这个clinet.此外,这个函数中还有一个比较奇怪的操作.不是在前面已经将i2c_dev->adap指向要操作的adapter么?为什么还要以adapter->nr为关键字从i2c_adapter_idr去找这个操作的adapter呢?注意了,调用i2c_get_adapter()从总线号nr找到操作的adapter的时候,还会增加module的引用计数.这样可以防止模块意外被释放掉.也许有人会有这样的疑问,那 i2c_dev->adap->nr操作,如果i2c_dev->adap被释放掉的话,不是一样会引起系统崩溃么?这里因为,在i2cdev_attach_adapter()间接的增加了一次adapter的一次引用计数.如下:
    [c-sharp] view plaincopy
    1. static int i2cdev_attach_adapter(struct i2c_adapter *adap)  
    2. {  
    3. ．．．．．．  
    4. i2c_dev->dev = device_create(i2c_dev_class, &adap->dev,  
    5.                      MKDEV(I2C_MAJOR, adap->nr),  
    6.                      "i2c-%d", adap->nr);  
    7. ．．．．．．  
    8. }  

    看到了么，i2c_dev内嵌的device是以adap->dev为父结点,在device_create()中会增次adap->dev的一次引用计数.
    好了,open()操作到此就完成了.
    使用方法：（参考kernel-test/i2c-msm-test.c）
    1、构造struct i2c_msg
    1. [读] struct i2c_msg msgs[] = {  
    2.   [0] = {  
    3.    .addr = slave_address,  
    4.    .flags = 0,  
    5.    .buf = (void *)offset_data,  
    6.    .len = ARRAY_SIZE(offset_data),  
    7.   },  
    8.   [1] = {  
    9.    .addr = slave_address,  
    10.    .flags = I2C_M_RD,  
    11.    .buf = (void *)buf,  
    12.    .len = count,  
    13.   },  
    14.  };  
    15. [写] struct i2c_msg msgs[] = {  
    16.   [0] = {  
    17.    .addr = slave_address,  
    18.    .flags = 0,  
    19.    .buf = (void *)data,  
    20.    .len = (2 + len) * sizeof(*data),  
    21.   },  
    22.   }  

    2、通过ioctl操作设备

    [c-sharp] view plaincopy
    1. static int do_rdwr(int fd, struct i2c_msg *msgs, int nmsgs)  
    2. {  
    3.  struct i2c_rdwr_ioctl_data msgset = {  
    4.   .msgs = msgs,  
    5.   .nmsgs = nmsgs,  /* msgs 个数*/  
    6.  };  
    7.   
    8.  if (msgs == NULL || nmsgs <= 0)  
    9.   return -1;  
    10.   
    11.  if (ioctl(fd, I2C_RDWR, &msgset) < 0)  
    12.   return -1;  
    13.   
    14.  return 0;  
    15. }  

    3、ioctl命令字：

    1. #define I2C_SMBUS_READ 1  
    2. #define I2C_SMBUS_WRITE 0  
    3.  
    4. #define I2C_SMBUS_QUICK 0  
    5. #define I2C_SMBUS_BYTE 1  
    6. #define I2C_SMBUS_BYTE_DATA 2   
    7. #define I2C_SMBUS_WORD_DATA 3  
    8. #define I2C_SMBUS_PROC_CALL 4  
    9. #define I2C_SMBUS_BLOCK_DATA 5  
    10. #define I2C_SMBUS_I2C_BLOCK_DATA 6  
    11. #define I2C_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL 7    
    12.  
    13. #define I2C_RETRIES 0x0701    
    14. #define I2C_TIMEOUT 0x0702    
    15. #define I2C_SLAVE 0x0703    
    16. #define I2C_SLAVE_FORCE 0x0706    
    17. #define I2C_TENBIT 0x0704    
    18. #define I2C_FUNCS 0x0705    
    19. #define I2C_RDWR 0x0707    
    20. #define I2C_PEC 0x0708    
    21. #define I2C_SMBUS 0x0720    

    9. 数据传输框架
    I2C架构的读写支持两种类型，默认实现的操作是smbus协议，该协议与i2c协议类似，如果控制器不支持smbus，框架层可以用i2c_transfer模拟smbus的实现，系统默认的i2c传输函数一般都是基于i2c模拟的smbus方法传输的，如i2c_smbus_write_byte_data，i2c_smbus_read_byte_data等。
    I2C协议的总线实现应该是I2C控制器，而不是SMBUS控制器, I2C协议和SMBUS协议不完成等同,SMBUS是I2C的子集，smbus由I2C衍生而来。smbus总线上传输的数据一定是I2C的格式的，但是SMBUS上传输的数据不一定能满足具体某个I2C从设备的通信要求(数据序列)。
    下图以i2c_smbus_write_byte_data介绍数据流程：
     
    10. References
    [1].     http://blog.chinaunix.net/u1/51562/showart_1403925.html
    [2]. 《msm7227-I2C设备驱动实现要点.doc》 滕景东
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