Linux 驱动之 IIC 子系统

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IIC 协议

写操作

流程如下：

  • 主芯片要发出一个 start 信号
  • 然后发出一个设备地址（用来确定是往哪一个芯片写数据），方向（读/写，0 表示写，1 表示读）
  • 从设备回应（用来确定这个设备是否存在），然后就可以传输数据
  • 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
  • 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成），然后再传输下一个数据
  • 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

读操作

流程如下：

  • 主芯片要发出一个 start 信号
  • 然后发出一个设备地址（用来确定是往哪一个芯片写数据），方向（读/写，0 表示写，1 表示读）
  • 从设备回应（用来确定这个设备是否存在），然后就可以传输数据
  • 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
  • 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成），然后再传输下一个数据
  • 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

IIC 信号

IIC 协议中数据传输的单位是字节，也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟：前面 8 个时钟用来传输 8 数据，第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位 (MSB)。

  • 开始信号（S）：SCL 为高电平时，SDA 从高电平向低电平跳变，开始传送数据
  • 结束信号（P）：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据
  • 响应信号 (ACK)：接收器在接收到 8 位数据后，在第 9 个时钟周期，拉低 SDA
  • SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定，SDA 上的数据只能在 SCL 为低电平期间变化

IIC 协议信号如下：

硬件实现

scl 和 sda 管脚都采用开漏输出的驱动方式，需要外接上拉电阻来输出高电平。

真值表如下：

从真值表和电路图我们可以知道：

  • 当某一个芯片不想影响 SDA 线时，那就不驱动这个三极管
  • 想让 SDA 输出高电平，双方都不驱动三极管 (SDA 通过上拉电阻变为高电平）
  • 想让 SDA 输出低电平，就驱动三极管

硬件拓扑

soc 中的 iic 控制器与挂载在 iic 总线上的设备的拓扑图如下：

SMBus 协议

SMBus 是基于 IIC 协议的，SMBus 要求更严格，SMBus 是 IIC 协议的子集，做了相关限制，例如 VDD 的极限值不一样、地址回应 (Address Acknowledge)、时钟频率等都有相关限制，这里不做过多说明。

数据结构

首先通过一张图来展示这些数据结构之间的关系，如下图：原图

  • bus_type:
    iic 是一个总线设备，linux 启动阶段会创建一个 iic 总线 i2c_bus_type，该总线用于管理 i2c_client 设备和 i2c_driver 驱动。该结构跟 linux 驱动之设备模型里的总线相同，这里实现了它自己的 match 和 probe 函数

  • i2c_adapter:
    每个 soc 内部都有自己的多个 iic 控制器，i2c_adapter 结构体就是用于描述 iic 控制器的结构体（就是 iic controler），结构体里的 nr 用于表述该控制器是第几个控制器例如 iic-0，iic-1 等。这里面有一个最重要的结构就是 i2c_algorithm，该结构是具体 controler 实际 iic 传输的实现，由具体的平台实现自己的 i2c_algorithm

  • i2c_client:
    一个 iic 下会挂载一个或多个设备，每个设备的信息由 i2c_client 结构体描述，例如设备地址等信息。该结构体还有一个指针指向 i2c_adapter，表示该设备挂载在哪个 iic controler 下以便在 iic 通信的时候通过 i2c_adapter 提供的 i2c_algorithm 提供的接口完成实际的数据传输

  • i2c_driver:
    iic 下挂载的设备例如 tp、温湿度传感器等设备的驱动由该数据结构来描述，这个是我们实际编写驱动中最常用的，通过 iic 驱动具体的挂载在 iic 总线上的设备。i2c_driver 跟 i2c_client 匹配成功后，就调用 i2c_driver.probe 函数

  • i2c_msg:
    有了 iic 设备和 iic 驱动了，iic 是通信总线，那就是要用来传输消息的，还有一个描述具体消息的结构体就是 i2c_msg，该结构体描述了消息方向，传输地址，消息长度以及消息本身内容

可以看到我们的 iic 驱动也是使用之前描述的设备驱动模型，bus 下挂载链条结构一个挂载设备一个挂载驱动通过总线提供的 match 函数进行匹配实现 device 找到 device_driver 或则 device_driver 找到要驱动的 device，然后在 match 成功后通过总线的 probe 函数调用到驱动的 probe 函数，实际驱动开发人员只需要填充 i2c_driver 结构体并将其注册到总线就可以了。区别在于 iic 总线是一个具体实实在在的总线，soc 内部有 iic 控制器，通过 i2c_adapter 描述提供统一的接口，i2c_driver 通过 i2c_adapter 提供的 iic 传输函数来操作 i2c_client 设备，这就是 iic 总线驱动的整体框架了。

流程分析

i2c_register_adapter 函数流程如下：原图

这里面有一个函数 i2c_detect 需要注意，该函数会遍历总线下的每一个 i2c_driver 并调用 i2c_driver 的 detect 函数，具体的 i2c_driver 的 detect 函数由具体的驱动实现。

i2c_register_driver 函数流程如下：原图

i2c_driver 同 adapt 的注册有一些相同的流程，其中 detect 函数就是其中之一，注册 i2c_driver 的时候也会遍历 bus 下的 i2c_driver 并调用相应的 detect 函数。

I2C tools

选择工具 i2c_tools

1
2
Utilities-->
		i2c-tools-->

用法

  • i2cdetect:

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    Usage: i2cdetect [-y] [-a] [-q|-r] I2CBUS [FIRST LAST]
           i2cdetect -F I2CBUS
           i2cdetect -l
      I2CBUS is an integer or an I2C bus name
      If provided, FIRST and LAST limit the probing range.

  • i2cdump:

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    Usage: i2cdump [-f] [-y] [-r first-last] I2CBUS ADDRESS [MODE [BANK [BANKREG]]]
      I2CBUS is an integer or an I2C bus name
      ADDRESS is an integer (0x03 - 0x77)
      MODE is one of:
        b (byte, default)
        w (word)
        W (word on even register addresses)
        s (SMBus block)
        i (I2C block)
        c (consecutive byte)
        Append p for SMBus PEC

  • i2cget：

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    Usage: i2cget [-f] [-y] I2CBUS CHIP-ADDRESS [DATA-ADDRESS [MODE]]
      I2CBUS is an integer or an I2C bus name
      ADDRESS is an integer (0x03 - 0x77)
      MODE is one of:
        b (read byte data, default)
        w (read word data)
        c (write byte/read byte)
        Append p for SMBus PEC

  • i2cset：

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    Usage: i2cset [-f] [-y] [-m MASK] [-r] I2CBUS CHIP-ADDRESS DATA-ADDRESS [VALUE] ... [MODE]
      I2CBUS is an integer or an I2C bus name
      ADDRESS is an integer (0x03 - 0x77)
      MODE is one of:
        c (byte, no value)
        b (byte data, default)
        w (word data)
        i (I2C block data)
        s (SMBus block data)
        Append p for SMBus PEC

参考文献：

http://www.wowotech.net/sort/comm
https://www.cnblogs.com/lknlfy/p/3265108.html
https://www.cxybb.com/article/rockrockwu/7435817
《Linux 设备驱动开发》