基于嵌入式Linux 的I2C设备驱动程序的分析

　　0 引言

　　由于I2C总线的通用性，Linux作为一款优秀的嵌入式操作系统，也必须要对其要有很好的支持。在Linux内核源码中对I2C总线的驱动是基于总线设备驱动模型的，其驱动程序用到了特殊的几个数据结构，对I2C总线协议进行了更抽象更通用的定义，极大的增加了设备驱动的可移植性。要编写出自己的I2C 设备驱动程序，必须对这种内核I2C总线驱动的架构有深刻的理解。

　　1 I2C总线的硬件构成

　　I2C 总线协议只有两条总线线路，一条是串行数据线（SDA），一条是串行时钟线（SCL）。SDA 负责数据的传输，SCL 负责数据传输的时钟同步。I2C 设备通过这两条总线连接到处理器的I2C总线控制器上，不同设备之间通过7 位地址来区别，而且数据的传输是双向的，方向的确定由1位二进制数确定，地址位加方向位是操作I2C 设备的惟一标示，I2C 设备与CPU 的连接如图1所示。

　　I2C 总线上有3 种类型的信号，分别是：开始信号，结束信号和应答信号。这些信号都是由SDA和SCL上的电平变化来表示的。

　　开始信号（S）：当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示开始传输数据。

　　结束信号（P）：当SCL为高电平时，SDAY由低电平向高电平跳变，表示结束传输数据。

　　相应信号（ACK）：从机接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA电平，表示已经接收到数据。

　　当总线空闲时，SDA 和SCL 都处于高电平，主机检测到总线空闲就可以向从机发送数据。主机首先发送开始信号S,接着发出8位数据（包括前7位的从机地址和1 为的方向位），然后等待从机发回确认信号ACK.

　　当第8位为0时，表示向从机传输数据，主机收到确认信号后就可以连续的向从机写入8 位数据；当第8 位为1时，表示向从读取数据，这时主机就可以接收来自从机的一系列数据。最后当总个数据传输过程完成后，由主机发送结束信号P,表示本次的数据传输完成。

　　2 Linux 的I2C设备驱动程序的层次结构

　　因为I2C设备的种类繁多，如果为每一款I2C设备都编写一个驱动程序，显然不太现实也不太可能做到。所以，Linux中是对I2C 设备驱动采取了层次化处理，分为总线层和设备层。将I2C设备驱动的一些共同属性抽象起来归结起来作为总线层，而将具体I2C设备特殊操作作为设备层。在Linux中I2C设备驱动中用到的数据结构[4,7-8]的关系如图2 所示。关于这部分代码位于Linux内核源码树的/driver/i2c中。

　　理解这层次结构重点是要理解4个数据结构，分别是属于设备层的i2c_driver 与i2c_client,属于总线层的i2c_adapter与i2c_algorithm.下面分别对这四个数据结构做简要的说明。

　　struct i2c_driver:具体的每一个I2C设备都应该对应着的一个驱动，这个结构体里面定义了Linux设备模型中用于I2C 总线管理的一系列函数指针和I2C 设备的信息。其中最重要的两个成员是适配器检测函数指针at-tach_adapter,和设备ID表id_table.

　　struct i2c_client:一个连接在SDA 和SCL 总线上的具体设备是由i2c_client结构体描述的，定义了两个成员变量表示这个具体设备所对应的适配器和驱动。

　　struct i2c_adapter:此结构体表示CPU 里面具体的I2C控制器，本质上也是对应着一个物理设备，其中最要的成员变量是指向适配器驱动的程序的algo 结构体指针。

　　struct i2c_algorithm:里面定义了具体适配器驱动程序的函数指针。特别是master_xfer函数指针，这个函数实现了适配器最底层的操作方法，也是I2C设备驱动中总线层里面要编写的重要函数。