文章來源：http://blog.csdn.net/zqixiao_09/article/details/50916916

一、IIC 基礎概念

       IIC(Inter－Integrated Circuit)匯流排是一種由PHILIPS公司開發的兩線式序列匯流排，用於連線微控制器及其外圍裝置。IIC匯流排產生於在80年代，最初為音訊和視訊裝置開發，如今主要在伺服器管理中使用，其中包括單個元件狀態的通訊。例如管理員可對各個元件進行查詢，以管理系統的配置或掌握元件的功能狀態，如電源和系統風扇。可隨時監控記憶體、硬碟、網路、系統溫度等多個引數，增加了系統的安全性，方便了管理。

1、 IIC匯流排的特點

       IIC匯流排最主要的優點是其簡單性

和有效性。由於介面直接在元件之上，因此IIC匯流排佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和晶片管腳的數量，降低了互聯成本。匯流排的長度可高達25英尺，並且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支援40個元件。IIC匯流排的另一個優點是，它支援多主控(multimastering)， 其中任何能夠進行傳送和接收的裝置都可以成為主匯流排。一個主控能夠控制訊號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

2、IIC匯流排工作原理

a -- 匯流排構成

      IIC匯流排是由資料線SDA和時鐘SCL構成的序列匯流排，可傳送和接收資料。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均並聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模組都有唯一的地址

，在資訊的傳輸過程中，IIC總線上並接的每一模組電路既是主控器（或被控器），又是傳送器（或接收器），這取決於它所要完成的功能。

CPU發出的控制訊號分為地址碼和控制量兩部分：

1) 地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；

2) 控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。

    這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。

b -- 訊號型別

    IIC匯流排在傳送資料過程中共有四種類型訊號：

開始訊號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送資料；

結束訊號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送資料；

資料傳輸訊號：

在開始條件以後，時鐘訊號SCL的高電平週期期問，當資料線穩定時，資料線SDA的狀態表示資料有效，即資料可以被讀走，開始進行讀操作。在時鐘訊號SCL的低電平週期期間，資料線上資料才允許改變。每位資料需要一個時鐘脈衝。

應答訊號：接收資料的IC在接收到8bit資料後，向傳送資料的IC發出特定的低電平脈衝，表示已收到資料。CPU向受控單元發出一個訊號後，等待受控單元發出一個應答訊號，CPU接收到應答訊號後，根據實際情況作出是否繼續傳遞訊號的判斷。若未收到應答訊號，由判斷為受控單元出現故障。

      目前有很多半導體積體電路上都集成了IIC介面。帶有IIC介面的微控制器有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如儲存器、監控晶片等也提供IIC介面。

3、匯流排基本操作

     IIC規程運用主/從雙向通訊。器件傳送資料到總線上，則定義為傳送器，器件接收資料則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作於接收和傳送狀態。 匯流排必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生序列時鐘（SCL）控制匯流排的傳輸方向，併產生起始和停止條件。SDA線上的資料狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。

a -- 控制位元組

      在起始條件之後，必須是器件的控制位元組，其中高四位為器件型別識別符（不同的晶片型別有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著三位為片選，最後一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。

b -- 寫操作

      寫操作分為位元組寫和頁面寫兩種操作，對於頁面寫根據晶片的一次裝載的位元組不同有所不同。關於頁面寫的地址、應答和資料傳送的時序。

c -- 讀操作

      讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最後一個讀操作的第9個時鐘週期不是“不關心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個週期間發出停止條件或者在第9個時鐘週期內保持SDA為高電平、然後發出停止條件。

d -- 匯流排仲裁

主機只能在匯流排空閒的時候啟動傳輸。兩個或多個主機可能在起始條件的最小持續內產生一個起始條件，結果在總線上產生一個規定的起始條件。

當SCL線是高電平時，仲裁在SDA線發生：這樣，在其他主機發送低電平時，傳送高電平的主機將斷開它的資料輸出級，因為總線上的電平和它自己的電平不同。

      仲裁可以持續多位。從地址位開始，同一個器件的話接著就是資料位（如果主機-傳送器），或者比較相應位（如果主機-接收器）。IIC匯流排的地址和資料資訊由贏得仲裁的主機決定，在這個過程中不會丟失資訊。

仲裁不能在下面情況之間進行：

1）重複起始條件和資料位；
2）停止條件和資料位；
3）重複起始條件和停止條件。

4、特性總結

      IIC肯定是2線的(不算地線)IIC協議確實很科學,比3/4線的SPI要好,當然線多通訊速率相對就快了

IIC的原則是

a -- 在SCL=1(高電平)時,SDA千萬別忽悠!!!否則,SDA下跳則"判罰"為"起始訊號S",SDA上跳則"判罰"為"停止訊號P".

b -- 在SCL=0(低電平)時,SDA隨便忽悠!!!(可別忽悠過火到SCL跳高)

c -- 每個位元組後應該由對方回送一個應答訊號ACK做為對方線上的標誌.非應答訊號一般在所有位元組的最後一個位元組後.一般要由雙方協議簽定.

d -- SCL必須由主機發送,否則天下大亂

e -- 首位元組是"片選訊號",即7位從機地址加1位方向(讀寫)控制.從機收到(聽到)自己的地址才能傳送應答訊號(必須應答!!!)表示自己線上.其他地址的從機不允許忽悠!!!(當然群呼可以忽悠但只能聽不許說話)

f -- 讀寫是站在主機的立場上定義的."讀"是主機接收從機資料,"寫"是主機發送資料給從機.

g-- 重複位主要用於主機從傳送模式到接收模式的轉換"訊號",由於只有2線,所以收發轉換肯定要比SPI複雜,因為SPI可用不同的邊沿來收發資料,而IIC不行.

h -- 在硬體IIC模組,特別是MCU/ARM/DSP等每個階段都會得到一個準確的狀態碼,根據這個狀態碼可以很容易知道現在在什麼狀態和什麼出錯資訊.

i -- 7位IIC匯流排可以掛接127個不同地址的IIC裝置,0號"裝置"作為群呼地址.10位IIC匯流排可以掛接更多的10位IIC裝置.

二、 Linux下IIC驅動架構

         Linux定義了系統的IIC驅動體系結構，在Linux系統中，IIC驅動由3部分組成，即IIC核心、IIC匯流排驅動和IIC裝置驅動。這3部分相互協作，形成了非常通用、可適應性很強的IIC框架。

       上圖完整的描述了linux i2c驅動架構，雖然I2C硬體體系結構比較簡單，但是i2c體系結構在linux中的實現卻相當複雜。

       那麼我們如何編寫特定i2c介面器件的驅動程式？就是說上述架構中的那些部分需要我們完成，而哪些是linux核心已經完善的或者是晶片提供商已經提供的？

1、架構層次分類

　  第一層：提供i2c adapter的硬體驅動，探測、初始化i2c adapter（如申請i2c的io地址和中斷號），驅動soc控制的i2c adapter在硬體上產生訊號（start、stop、ack）以及處理i2c中斷。覆蓋圖中的硬體實現層

 　 第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體介面卡的xxx_xferf()函式來填充i2c_algorithm的master_xfer函式指標，並把賦值後的i2c_algorithm再賦值給i2c_adapter的algo指標。覆蓋圖中的訪問抽象層、i2c核心層

　  第三層：實現i2c裝置驅動中的i2c_driver介面，用具體的i2c device裝置的attach_adapter()、detach_adapter()方法賦值給i2c_driver的成員函式指標。實現裝置device與匯流排（或者叫adapter）的掛接。覆蓋圖中的driver驅動層

　 第四層：實現i2c裝置所對應的具體device的驅動，i2c_driver只是實現裝置與匯流排的掛接，而掛接在總線上的裝置則是千差萬別的，所以要實現具體裝置device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然後註冊字元裝置（多數是字元裝置）。覆蓋圖中的driver驅動層

   第一層和第二層又叫i2c匯流排驅動(bus)，第三第四屬於i2c裝置驅動(device driver)。

     在linux驅動架構中，幾乎不需要驅動開發人員再新增bus，因為linux核心幾乎整合所有匯流排bus，如usb、pci、i2c等等。並且匯流排bus中的(與特定硬體相關的程式碼)已由晶片提供商編寫完成，例如三星的s3c-2440平臺i2c匯流排bus為/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

第三第四層與特定device相干的就需要驅動工程師來實現了。

2、Linux下I2C驅動體系結構三部分詳細分析

a -- IIC核心

       IIC 核心提供了IIC匯流排驅動和裝置驅動的註冊、登出方法，IIC通訊方法（即“algorithm”，筆者認為直譯為“運算方法”並不合適，為免引起誤解， 下文將直接使用“algorithm”）上層的、與具體介面卡無關的程式碼以及探測裝置、檢測裝置地址的上層程式碼等。

     在我們的Linux驅動的i2c資料夾下有algos，busses，chips三個資料夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個檔案。

     i2c-core.c檔案實現了I2Ccore框架，是Linux核心用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態的List，分別記錄系統中的I2Cdriver結構和I2Cadapter結構。I2Ccore提供介面函式，允許一個I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化時在I2Ccore中進行註冊，以及退出時進行登出。同時還提供了I2C匯流排讀寫訪問的一般介面，主要應用在I2C裝置驅動中。

b -- IIC匯流排驅動

       IIC匯流排驅動是對IIC硬體體系結構中介面卡端的實現，介面卡可由CPU控制，甚至直接整合在CPU內部。匯流排驅動的職責，是為系統中每個I2C匯流排增加相應的讀寫方法。但是匯流排驅動本身並不會進行任何的通訊，它只是存在那裡，等待裝置驅動呼叫其函式。

     IIC匯流排驅動主要包含了IIC介面卡資料結構i2c_adapter、IIC介面卡的algorithm資料結構i2c_algorithm和控制IIC介面卡產生通訊訊號的函式。經由IIC匯流排驅動的程式碼，我們可以控制IIC介面卡以主控方式產生開始位、停止位、讀寫週期，以及以從裝置方式被讀寫、產生ACK等。

　Busses資料夾下的i2c-mpc.c檔案實現了PowerPC下I2C匯流排介面卡驅動，定義描述了具體的I2C匯流排介面卡的i2c_adapter資料結構，實現比較底層的對I2C匯流排訪問的具體方法。I2Cadapter 構造一個對I2Ccore層介面的資料結構，並通過介面函式向I2Ccore註冊一個控制器。I2Cadapter主要實現對I2C匯流排訪問的演算法，iic_xfer() 函式就是I2Cadapter底層對I2C匯流排讀寫方法的實現。同時I2Cadpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函式。

c -- IIC裝置驅動

      IIC裝置驅動是對IIC硬體體系結構中裝置端的實現，裝置一般掛接在受CPU控制的IIC介面卡上，通過IIC介面卡與CPU交換資料。裝置驅動則是與掛在I2C總線上的具體的裝置通訊的驅動。通過I2C匯流排驅動提供的函式，裝置驅動可以忽略不同匯流排控制器的差異，不考慮其實現細節地與硬體裝置通訊。

      IIC裝置驅動主要包含了資料結構i2c_driver和i2c_client，我們需要根據具體裝置實現其中的成員函式。

     i2c-dev.c檔案中實現了I2Cdriver，提供了一個通用的I2C裝置的驅動程式，實現了字元型別裝置的訪問介面，實現了對使用者應用層的介面，提供使用者程式訪問I2C裝置的介面，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準檔案操作的介面函式。我們可以通過open函式開啟 I2C的裝置檔案，通過ioctl函式設定要訪問從裝置的地址，然後就可以通過 read和write函式完成對I2C裝置的讀寫操作。

    通過I2Cdriver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的裝置，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基於一般裝置的實現，所有的操作資料都是基於位元組流，沒有明確的格式和意義。為了更方便和有效地使用I2C裝置，我們可以為一個具體的I2C裝置開發特定的I2C裝置驅動程式，在驅動中完成對特定的資料格式的解釋以及實現一些專用的功能。

3、重要的結構體

      因為IIC裝置種類太多，如果每一個IIC裝置寫一個驅動程式，那麼顯得核心非常大。不符合軟體工程程式碼複用，所以對其層次話：

     這裡簡單的將IIC裝置驅動分為裝置層、匯流排層。理解這兩個層次的重點是理解4個數據結構，這4個數據結構是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapter。i2c_driver、i2c_client屬於裝置層；i2c_algorithm、i2c_adapter屬於匯流排型。如下圖：

    裝置層關係到實際的IIC裝置，匯流排層包括CPU中的IIC匯流排控制器和控制匯流排通訊的方法。值得注意的是：一個系統中可能有很多個匯流排層，也就是包含多個匯流排控制器；也可能有多個裝置層，包含不同的IIC裝置

  由IIC匯流排規範可知，IIC匯流排由兩條物理線路組成，這兩條物理線路是SDA和SCL。只要連線到SDA和SCL總線上的裝置都可以叫做IIC裝置。

a -- i2c_client 

       一個IIC裝置由i2c_client資料結構進行描述：

1. struct  i2c_client  
2. {  
3.     unsigned short  flags;                        　 //標誌位
4.     unsigned short  addr;　　　　　　　　　　　　　　  //裝置的地址，低7位為晶片地址
5.     char name[I2C_NAME_SIZE];　　　　　　　　　　   //裝置的名稱，最大為20個位元組
6.     struct  i2c_adapter *adapter;　　　　　　　　　　　//依附的介面卡i2c_adapter，介面卡指明所屬的匯流排
7.     struct  i2c_driver *driver;　　　　　　　　　　　　　//指向裝置對應的驅動程式
8.     struct device  dev;　　　　　　　　　　　　　　　　　//裝置結構體
9.     int irq;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//裝置申請的中斷號
10.     struct list_head  list;　　　　　　　　　　　　　　　　//連線到總線上的所有裝置
11.     struct list_head 　　detected;　　　　　　　　　　　//已經被發現的裝置連結串列
12.     struct completion　　released;　　　　　　　　　　　//是否已經釋放的完成量
13. };  

裝置結構體i2c_client中addr的低8位表示裝置地址。裝置地址由讀寫位、器件型別和自定義地址組成，如下圖：

第7位是R/W位，0表示寫，2表示讀，所以I2C裝置通常有兩個地址，即讀地址和寫地址；

型別器件由中間4位組成，這是由半導體公司生產的時候就已經固化了；

自定義型別由低3位組成。由使用者自己設定；

     IIC裝置還有一些重要的注意事項：

1、i2c_client資料結構是描述IIC裝置的“模板”，驅動程式的裝置結構中應包含該結構；

2、adapter指向裝置連線的匯流排介面卡，系統可能有多個匯流排介面卡。核心中靜態指標陣列adapters記錄所有已經註冊的匯流排介面卡裝置；

3、driver是指向裝置驅動程式，這個驅動程式是在系統檢測到裝置存在時賦值的；

b -- IIC裝置驅動     i2c_driver

1. struct  i2c_driver  
2. {  
3.     int id;                         //驅動標識ID
4.     unsigned intclass;               //驅動的型別
5.     int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);             //當檢測到介面卡時呼叫的函式
6.     int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);              //解除安裝介面卡時呼叫的函式
7.     int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated;             //解除安裝裝置時呼叫的函式
8.      //以下是一種新型別驅動需要的函式，這些函式支援IIC裝置動態插入和拔出。如果不想支援只實現上面3個。要不實現上面3個。要麼實現下面5個。不能同時定義
9.     int  (*probe)(struct i2c_client *,conststruct  i2c_device_id *);              //新型別裝置探測函式
10.     int (*remove)(struct i2c_client *);                   //新型別裝置的移除函式
11.     void (*shutdown)(struct i2c_client *);              //關閉IIC裝置
12.     int (*suspend)(struct  i2c_client *,pm_messge_t mesg);           //掛起IIC裝置
13.         int (*resume)(struct  i2c_client *);                               //恢復IIC裝置
14.     int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg);        //使用命令使裝置完成特殊的功能。類似ioctl（）函式
15.     struct devcie_driver  driver;                         //裝置驅動結構體
16.     conststruct  i2c_device_id *id_table;                       //裝置ID表
17.     int (*detect)(struct i2c_client *,int  kind,struct  i2c_board_info *);          //自動探測裝置的回撥函式
18.     conststruct i2c_client_address_data          *address_data;                 //裝置所在的地址範圍
19.     struct  list_head    clients;                    //指向驅動支援的裝置
20. };  

結構體i2c_driver和i2c_client的關係較為簡單，其中i2c_driver表示一個IIC裝置驅動，i2c_client表示一個IIC裝置。關係如下圖：

c -- i2c_adapter

      IIC匯流排介面卡就是一個IIC匯流排控制器，在物理上連線若干個IIC裝置。IIC匯流排介面卡本質上是一個物理裝置，其主要功能是完成IIC匯流排控制器相關的資料通訊：

1. struct i2c_adapter  
2. {  
3.     struct module *owner;                        //模組計數
4.         unsigned  int id;                                  //alogorithm的型別，定義於i2c_id.h中
5.         unsigned   intclass;                           //允許探測的驅動型別
6.     conststruct i2c_algorithm *algo;         //指向介面卡的驅動程式
7.         void *algo_data;                                  //指向介面卡的私有資料，根據不同的情況使用方法不同
8.         int (*client_register)(struct  i2c_client *);          //裝置client註冊時呼叫
9.         int (*client_unregister(struct  i2c_client *);       //裝置client登出時呼叫
10.         u8 level;                                                           
11.     struct  mutex  bus_lock;                             //對匯流排進行操作時，將獲得匯流排鎖
12.         struct  mutex  clist_lock ;                            //連結串列操作的互斥鎖
13.         int timeout;                                                  //超時
14.     int retries;                                                     //重試次數
15.     struct device dev;                                          //指向 介面卡的裝置結構體
16.     int  nr ;                                                            
17.     struct  list_head      clients;                            //連線總線上的裝置的連結串列
18.     char name[48];                                              //介面卡名稱
19.     struct completion     dev_released;               //用於同步的完成量
20. };  

d -- i2c_algorithm

       每一個介面卡對應一個驅動程式，該驅動程式描述了介面卡與裝置之間的通訊方法:

1. struct  i2c_algorithm  
2. {  
3.     int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, int num);              //傳輸函式指標，指向實現IIC匯流排通訊協議的函式，用來確定介面卡支援那些傳輸型別
4.     int  (*smbus_xfer)(struct  i2c_adapter *adap, u16  addr, unsigned  short flags, char  read_write, u8 command, int size, union  i2c_smbus_data  *data);    //smbus方式傳輸函式指標，指向實現SMBus匯流排通訊協議的函式。SMBus和IIC之間可以通過軟體方式相容，所以這裡提供了一個函式，但是一般都賦值為NULL
5.     u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);                   //返回介面卡支援的功能
6. };  

      IIC裝置驅動程式大致可以分為裝置層和匯流排層。裝置層包括一個重要的資料結構，i2c_client。匯流排層包括兩個重要的資料結構，分別是i2c_adapter和i2c_algorithm。一個i2c_algorithm結構表示介面卡對應的傳輸資料方法。3個數據結構關係：

IIC裝置層次結構較為簡單，但是寫IIC裝置驅動程式卻相當複雜。

IIC裝置驅動程式的步驟：

4、各結構體的作用與它們之間的關係

a -- i2c_adapter與i2c_algorithm

　　i2c_adapter對應與物理上的一個介面卡，而i2c_algorithm對應一套通訊方法，一個i2c介面卡需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下層與硬體相關的程式碼提供）通訊函式來控制介面卡上產生特定的訪問週期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什麼也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指標。

        i2c_algorithm中的關鍵函式master_xfer()用於產生i2c訪問週期需要的start stop ack訊號，以i2c_msg（即i2c訊息）為單位傳送和接收通訊資料。

　　i2c_msg也非常關鍵，呼叫驅動中的傳送接收函式需要填充該結構體

1. struct i2c_msg {    
2.     __u16 addr; /* slave address            */
3.     __u16 flags;            
4.     __u16 len;      /* msg length               */
5.     __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */
6. };    

b --i2c_driver和i2c_client

      i2c_driver對應一套驅動方法，其主要函式是attach_adapter()和detach_client()

      i2c_client對應真實的i2c物理裝置device，每個i2c裝置都需要一個i2c_client來描述

      2c_driver與i2c_client的關係是一對多。一個i2c_driver上可以支援多個同等型別的i2c_client.

c -- i2c_adapter和i2c_client

　　i2c_adapter和i2c_client的關係與i2c硬體體系中介面卡和裝置的關係一致，即i2c_client依附於i2c_adapter,由於一個介面卡上可以連線多個i2c裝置，所以i2c_adapter中包含依附於它的i2c_client的連結串列。

　從i2c驅動架構圖中可以看出，linux核心對i2c架構抽象了一個叫核心層core的中介軟體，它分離了裝置驅動device driver和硬體控制的實現細節（如操作i2c的暫存器），core層不但為上面的裝置驅動提供封裝後的核心註冊函式，而且還為小面的硬體事件提供註冊介面（也就是i2c匯流排註冊介面），可以說core層起到了承上啟下的作用。