Linux驱动开发（10）：I2C子系统–mpu6050驱动实验

本章我们以板载MPU6050为例讲解i2c驱动程序的编写，本章主要分为五部分内容。

• 第一部分，i2c基本知识，回忆i2c物理总线和基本通信协议。

• 第二部分，linux下的i2c驱动框架。

• 第三部分，i2c总线驱动代码拆解。

• 第四部分，i2c设备驱动的核心函数。

• 第五部分，MPU6050驱动以及测试程序。

1. i2c基本知识

1.1. i2c物理总线

如上图所示，i2c支持一主多从，各设备地址独立，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s。总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空 闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

I2C物理总线使用两条总线线路，SCL和SDA。

• SCL： 时钟线，数据收发同步

• SDA： 数据线，传输具体数据

1.2. i2c基本通信协议

1.2.1. 起始信号(S)与停止信号(P)

当SCL线为高电平时，SDA线由高到低的下降沿，为传输开始标志(S)。直到主设备发出结束信号(P)， 否则总线状态一直为忙。结束标志(P)为，当SCL线为高电平时，SDA线由低到高的上升沿。

1.2.2. 数据格式与应答信号(ACK/NACK)

i2c的数据字节定义为8-bits长度，对每次传送的总字节数量没有限制,但对每一次传输必须伴有一个应答(ACK)信号， 其时钟由主设备提供，而真正的应答信号由从设备发出，在时钟为高时，通过拉低并保持SDA的值来实现。如果从设备忙， 它可以使 SCL保持在低电平，这会强制使主设备进入等待状态。当从设备空闲后，并且释放时钟线，原来的数据传输才会继续。

1.2.3. 主机与从机通信

开始标志(S)发出后，主设备会传送一个7位的Slave地址，并且后面跟着一个第8位，称为Read/Write位。 R/W位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。然后，主设备释放SDA线，等待从设备的应答信号(ACK)。 每个字节的传输都要跟随有一个应答位。应答产生时，从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。 数据传输总是以停止标志（P）结束，然后释放通信线路。 然而，主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备， 而不发出结束标志。综上可知，所有的SDA信号变化都要在SCL时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志

1.2.4. i2c对mpu6050进行数据读写

单字节写入

连续字节写入

对MPU6050进行写操作时，主设备发出开始标志(S)和写地址(地址位加一个R/W位，0为写)。 MPU6050产生应答信号。然后主设备开始传送寄存器地址(RA)，接到应答后，开始传送寄存器数据， 然后仍然要有应答信号，连续写入多字节时依次类推。

单字节读出

连续字节读出

对MPU6050进行读操作时，主设备发出开始标志(S)和读地址(地址位加一个R/W位，1为读)。 等待MPU6050产生应答信号。然后发送寄存器地址，告诉MPU6050读哪一个寄存器。 紧接着，收到应答信号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备读地址。 MPU6050产生应答信号并开始发送寄存器数据。通信以主设备产生的拒绝应答信号(NACK)和结束标志(P)结束。

2. i2c驱动框架

在编写单片机裸机i2c驱动时我们需要根据i2c协议手动配置i2c控制寄存器使其能够输出起始信号、停止信号、数据信息等等。

在Linux系统中则采用了总线、设备驱动模型。我们之前讲解的平台设备也是采用了这种模型，只不过平台总线是一个虚拟的总线。

我们知道一个i2c(例如i2c1)上可以挂在多个i2c设备，例如MPU6050、i2c接口的OLED显示屏、摄像头（摄像头通过i2c接口发送控制信息）等等， 这些设备共用一个i2c，这个i2c的驱动我们称为i2c总线驱动。而对应具体的设备,例如mpu6050的驱动就是i2c设备驱动。 这样我们要使用mpu6050就需要拥有“两个驱动”一个是i2c总线驱动和mpu6050设备驱动。

• i2c总线驱动由芯片厂商提供（驱动复杂，官方提供了经过测试的驱动，我们直接用），

• mpu6050设备驱动可以从mpu6050芯片厂家那里获得（不确定有），也可以我们手动编写。

如上图所示，i2c驱动框架包括i2c总线驱动、具体某个设备的驱动。

i2c总线包括i2c设备(i2c_client)和i2c驱动(i2c_driver), 当我们向linux中注册设备或驱动的时候，按照i2c总线匹配规则进行配对，配对成功，则可以通过i2c_driver中.prob函数创建具体的设备驱动。 在现代linux中，i2c设备不再需要手动创建，而是使用设备树机制引入，设备树节点是与paltform总线相配合使用的。 所以需先对i2c总线包装一层paltform总线，当设备树节点转换为平台总线设备时，我们在进一步将其转换为i2c设备，注册到i2c总线中。

设备驱动创建成功，我们还需要实现设备的文件操作接口(file_operations),file_operations中会使用到内核中i2c核心函数(i2c系统已经实现的函数，专门开放给驱动工程师使用)。 使用这些函数会涉及到i2c适配器，也就是i2c控制器。由于i2c控制器有不同的配置，所有linux将每一个i2c控制器抽象成i2c适配器对象。 这个对象中存在一个很重要的成员变量——Algorithm，Algorithm中存在一系列函数指针，这些函数指针指向真正硬件操作代码。

2.1. 关键数据结构

在开始拆解i2c驱动框架的源码之前，先了解其中几个重要的对象。

struct i2c_adapter

i2c_适配器对应一个i2c控制器，是用于标识物理i2c总线以及访问它所需的访问算法的结构。

i2c_adapter结构体 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

/** i2c_adapter is the structure used to identify a physical i2c bus along* with the access algorithms necessary to access it.*/
struct i2c_adapter {struct module *owner;unsigned int class;               /* classes to allow probing for */const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */void *algo_data;/* data fields that are valid for all devices   */struct rt_mutex bus_lock;int timeout;                    /* in jiffies */int retries;struct device dev;              /* the adapter device */int nr;char name[48];struct completion dev_released;struct mutex userspace_clients_lock;struct list_head userspace_clients;struct i2c_bus_recovery_info *bus_recovery_info;const struct i2c_adapter_quirks *quirks;
};

• algo： struct i2c_algorithm 结构体，访问总线的算法；

• dev： struct device 结构体，控制器，表明这是一个设备。

struct i2c_algorithm

i2c_algorithm是一类硬件解决方案的接口，这些解决方案可以使用相同的总线算法来解决，即位碰撞或PCF8584，举两种最常见的算法 struct i2c_algorithm 结构体用于指定访问总线（i2c）的算法，在这里就是用于指定外部访问i2c总线的接口，这个“接口”体现到代码就是一些接口函数。 从以下代码不难看出i2c_algorithm结构体实际提供了一些函数指针，这些函数就是外部访问i2c总线的接口，更直白的说， i2c设备例如mpu6050、i2c接口的oled屏等等就是通过这些函数接口使用i2c总线实现收、发数据的。在i2c1的总线驱动中会实现这些函数（部分函数）。

i2c_algorithm结构体 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

struct i2c_algorithm {/* If an adapter algorithm can't do I2C-level access, set master_xferto NULL. If an adapter algorithm can do SMBus access, setsmbus_xfer. If set to NULL, the SMBus protocol is simulatedusing common I2C messages *//* master_xfer should return the number of messages successfullyprocessed, or a negative value on error */int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,int num);int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,unsigned short flags, char read_write,u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);/* To determine what the adapter supports */u32 (*functionality) (struct i2c_adapter *);#if IS_ENABLED(CONFIG_I2C_SLAVE)int (*reg_slave)(struct i2c_client *client);int (*unreg_slave)(struct i2c_client *client);
#endif
};

• master_xfer： 作为主设备时的发送函数，应该返回成功处理的消息数，或者在出错时返回负值。

• smbus_xfer： 作为从设备时的发送函数。

struct i2c_client

表示i2c从设备

i2c_client结构体 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

    struct i2c_client {unsigned short flags;           /* div., see below              */unsigned short addr;            /* chip address - NOTE: 7bit    */char name[I2C_NAME_SIZE];struct i2c_adapter *adapter;    /* the adapter we sit on        */struct device dev;              /* the device structure         */int init_irq;                   /* irq set at initialization    */int irq;                        /* irq issued by device         */struct list_head detected;#if IS_ENABLED(CONFIG_I2C_SLAVE)i2c_slave_cb_t slave_cb;        /* callback for slave mode      */#endif};

• flags：I2C_CLIENT_TEN表示设备使用10位芯片地址，I2C客户端PEC表示它使用SMBus数据包错误检查

• addr： addr在连接到父适配器的I2C总线上使用的地址。

• name： 表示设备的类型，通常是芯片名。

• adapter： struct i2c_adapter 结构体，管理托管这个I2C设备的总线段。

• dev： Driver model设备节点。

• init_irq： 作为从设备时的发送函数。

• irq： 表示该设备生成的中断号。

• detected： struct list_head i2c的成员_驱动程序.客户端列表或i2c核心的用户空间设备列表。

• slave_cb： 使用适配器的I2C从模式时回调。适配器调用它来将从属事件传递给从属驱动程序。i2c_客户端识别连接到i2c总线的单个设备（即芯片）。暴露在Linux下的行为是由管理设备的驱动程序定义的。

struct i2c_driver

i2c设备驱动程序

i2c_driver结构体 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

    struct i2c_driver {unsigned int class;int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *);int (*remove)(struct i2c_client *);struct device_driver driver;const struct i2c_device_id *id_table;int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *);const unsigned short *address_list;struct list_head clients;...};

• probe： i2c设备和i2c驱动匹配后，回调该函数指针。

• id_table： struct i2c_device_id 要匹配的从设备信息。

• address_list： 设备地址

• clients： 设备链表

• detect： 设备探测函数

3. i2c总线驱动

i2c总线驱动由芯片厂商提供，如果我们使用NXP官方提供的Linux内核，i2c总线驱动已经保存在内核中，并且默认情况下已经编译进内核。

下面结合源码简单介绍i2c总线的运行机制。

• 1、注册I2C总线

• 2、将I2C驱动添加到I2C总线的驱动链表中

• 3、遍历I2C总线上的设备链表，根据i2c_device_match函数进行匹配，如果匹配调用i2c_device_probe函数

• 4、i2c_device_probe函数会调用I2C驱动的probe函数

i2c总线定义

i2c总线定义 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

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

i2c总线维护着两个链表（I2C驱动、I2C设备），管理I2C设备和I2C驱动的匹配和删除等

i2c总线注册

linux启动之后，默认执行i2c_init。

i2c总线注册 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

static int __init i2c_init(void)
{int retval;...retval = bus_register(&i2c_bus_type);if (retval)return retval;is_registered = true;...retval = i2c_add_driver(&dummy_driver);if (retval)goto class_err;if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_DYNAMIC))WARN_ON(of_reconfig_notifier_register(&i2c_of_notifier));if (IS_ENABLED(CONFIG_ACPI))WARN_ON(acpi_reconfig_notifier_register(&i2c_acpi_notifier));return 0;...
}

• 第5行：bus_register注册总线i2c_bus_type，总线定义如上所示。

• 第11行：i2c_add_driver注册设备dummy_driver。

i2c设备和i2c驱动匹配规则

i2c设备和i2c驱动匹配规则 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

    static int i2c_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv){struct i2c_client       *client = i2c_verify_client(dev);struct i2c_driver       *driver;/* Attempt an OF style match */if (i2c_of_match_device(drv->of_match_table, client))return 1;/* Then ACPI style match */if (acpi_driver_match_device(dev, drv))return 1;driver = to_i2c_driver(drv);/* Finally an I2C match */if (i2c_match_id(driver->id_table, client))return 1;return 0;}

• of_driver_match_device： 设备树匹配方式，比较 I2C 设备节点的 compatible 属性和 of_device_id 中的 compatible 属性

• acpi_driver_match_device： ACPI 匹配方式

• i2c_match_id： i2c总线传统匹配方式，比较 I2C设备名字和 i2c驱动的id_table->name 字段是否相等

在i2c总线驱动代码源文件中，我们只简单介绍重要的几个点，如果感兴趣可自行阅读完整的i2c驱动源码。 通常情况下，看驱动程序首先要找到驱动的入口和出口函数，驱动入口和出口位于驱动的末尾，如下所示。

驱动入口和出口函数 (内核源码/drivers/i2c/busses/i2c-imx.c)：

static int __init i2c_adap_imx_init(void)
{return platform_driver_register(&i2c_imx_driver);
}
subsys_initcall(i2c_adap_imx_init);static void __exit i2c_adap_imx_exit(void)
{platform_driver_unregister(&i2c_imx_driver);
}
module_exit(i2c_adap_imx_exit);

驱动入口和出口函数很简单，我们可以从中得到i2c驱动是一个平台驱动，并且我们知道平台驱动结构体是“i2c_imx_driver”，平台驱动结构体如下所示。

平台设备驱动结构体（内核源码/drivers/i2c/busses/i2c-imx.c）：

static const struct of_device_id i2c_imx_dt_ids[] = {{ .compatible = "fsl,imx1-i2c", .data = &imx1_i2c_hwdata, },{ .compatible = "fsl,imx21-i2c", .data = &imx21_i2c_hwdata, },{ .compatible = "fsl,vf610-i2c", .data = &vf610_i2c_hwdata, },{ /* sentinel */ }
};static struct platform_driver i2c_imx_driver = {.probe = i2c_imx_probe,.remove = i2c_imx_remove,.driver = {.name = DRIVER_NAME,.owner = THIS_MODULE,.of_match_table = i2c_imx_dt_ids,.pm = IMX_I2C_PM,},.id_table       = imx_i2c_devtype,
};

• 第1-6行：是i2c驱动的匹配表，用于和设备树节点匹配，

• 第8-18行：是初始化的平台设备结构体，从这个结构体我们可以找到.prob函数，.prob函数的作用我们都很清楚，通常情况下该函数实现设备的基本初始化。

以下是.porb函数的内容。

i2c驱动 .prob函数 (内核源码/drivers/i2c/busses/i2c-imx.c)：

static int i2c_imx_probe(struct platform_device *pdev)
{const struct of_device_id *of_id = of_match_device(i2c_imx_dt_ids,&pdev->dev);struct imx_i2c_struct *i2c_imx;struct resource *res;struct imxi2c_platform_data *pdata = dev_get_platdata(&pdev->dev);void __iomem *base;int irq, ret;dma_addr_t phy_addr;dev_dbg(&pdev->dev, "<%s>\n", __func__);irq = platform_get_irq(pdev, 0);if (irq < 0) {dev_err(&pdev->dev, "can't get irq number\n");return irq;}res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);if (IS_ERR(base))return PTR_ERR(base);phy_addr = (dma_addr_t)res->start;i2c_imx = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*i2c_imx), GFP_KERNEL);if (!i2c_imx)return -ENOMEM;if (of_id)i2c_imx->hwdata = of_id->data;elsei2c_imx->hwdata = (struct imx_i2c_hwdata *)platform_get_device_id(pdev)->driver_data;/* Setup i2c_imx driver structure */strlcpy(i2c_imx->adapter.name, pdev->name, sizeof(i2c_imx->adapter.name));i2c_imx->adapter.owner          = THIS_MODULE;i2c_imx->adapter.algo           = &i2c_imx_algo;i2c_imx->adapter.dev.parent     = &pdev->dev;i2c_imx->adapter.nr             = pdev->id;i2c_imx->adapter.dev.of_node    = pdev->dev.of_node;i2c_imx->base                   = base;/* Get I2C clock */i2c_imx->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, NULL);if (IS_ERR(i2c_imx->clk)) {dev_err(&pdev->dev, "can't get I2C clock\n");return PTR_ERR(i2c_imx->clk);}ret = clk_prepare_enable(i2c_imx->clk);if (ret) {dev_err(&pdev->dev, "can't enable I2C clock\n");return ret;}/* Request IRQ */ret = devm_request_irq(&pdev->dev, irq, i2c_imx_isr,IRQF_NO_SUSPEND, pdev->name, i2c_imx);if (ret) {dev_err(&pdev->dev, "can't claim irq %d\n", irq);goto clk_disable;}/* Init queue */init_waitqueue_head(&i2c_imx->queue);/* Set up adapter data */i2c_set_adapdata(&i2c_imx->adapter, i2c_imx);/* Set up clock divider */i2c_imx->bitrate = IMX_I2C_BIT_RATE;ret = of_property_read_u32(pdev->dev.of_node,"clock-frequency", &i2c_imx->bitrate);if (ret < 0 && pdata && pdata->bitrate)i2c_imx->bitrate = pdata->bitrate;/* Set up chip registers to defaults */imx_i2c_write_reg(i2c_imx->hwdata->i2cr_ien_opcode ^ I2CR_IEN,i2c_imx, IMX_I2C_I2CR);imx_i2c_write_reg(i2c_imx->hwdata->i2sr_clr_opcode, i2c_imx, IMX_I2C_I2SR);/* Add I2C adapter */ret = i2c_add_numbered_adapter(&i2c_imx->adapter);if (ret < 0) {dev_err(&pdev->dev, "registration failed\n");goto clk_disable;}/* Set up platform driver data */platform_set_drvdata(pdev, i2c_imx);clk_disable_unprepare(i2c_imx->clk);dev_dbg(&i2c_imx->adapter.dev, "claimed irq %d\n", irq);dev_dbg(&i2c_imx->adapter.dev, "device resources: %pR\n", res);dev_dbg(&i2c_imx->adapter.dev, "adapter name: \"%s\"\n",i2c_imx->adapter.name);dev_info(&i2c_imx->adapter.dev, "IMX I2C adapter registered\n");/* Init DMA config if supported */i2c_imx_dma_request(i2c_imx, phy_addr);return 0;   /* Return OK */clk_disable:clk_disable_unprepare(i2c_imx->clk);return ret;
}

• 第14-18行：获取中断号，在i2c1的设备树节点中定义了中断，这里获取得到的中断号申请中断时会用到，获取函数使用的是内核提供的函数 platform_get_irq。

• 第20-23行：获取reg属性，这里同样使用的是内核提供的“platform_get_resource”它实现的功能和我们使用of函数获取reg属性相同。这里的代码获取得到了i2c1的基地址，并且使用“devm_ioremap_resource”将其转化为虚拟地址。

• 第27-29行：为i2c_imx申请内存空间，我们先不关心申请函数，重点是结构体i2c_imx下面我们将重点介绍这个结构体。

imx_i2c_struct结构体：

struct imx_i2c_struct {struct i2c_adapter      adapter;struct clk              *clk;void __iomem            *base;wait_queue_head_t       queue;unsigned long           i2csr;unsigned int            disable_delay;int                     stopped;unsigned int            ifdr; /* IMX_I2C_IFDR */unsigned int            cur_clk;unsigned int            bitrate;const struct imx_i2c_hwdata     *hwdata;struct imx_i2c_dma      *dma;
};

imx_i2c_struct结构体成员较多，其中大多数是用于保存i2c硬件信息。

• clk： clk结构体保存时钟相关信息

• bitrate： 保存i2c的波特率

• dma： struct imx_i2c_dma 结构体 dam相关信息等等。

• 第38-44行：初始化i2c_imx结构体，根据前面讲解，i2c_imx结构体内有一个imx_i2c_struct类型的结构体，在程序中它代表一个实际的i2c总线。这部分初始化代码大多数用于初始化imx_i2c_struct结构体的成员。其中我们需要特别关心“i2c_imx->adapter.algo = &i2c_imx_algo;”，它就是用于初始化“访问总线（i2c）的算法”。“i2c_imx_algo”定义如下。

i2c_algorithm结构体实例i2c_imx_algo：

static struct i2c_algorithm i2c_imx_algo = {.master_xfer    = i2c_imx_xfer,.functionality  = i2c_imx_func,
};

i2c_imx_algo结构体内指定了两个函数，它们就是外部访问i2c总线的接口:

• 函数i2c_imx_func只是用于返回当前所处状态。

• 函数i2c_imx_xfer真正实现外部访问i2c总线。

i2c_imx_xfer函数定义如下：

static int i2c_imx_xfer(struct i2c_adapter *adapter, struct i2c_msg *msgs, int num)

在编写设备驱动时我们会使用“i2c_transfer”函数执行数据的传输，i2c_transfer函数最终就是调用i2c_imx_xfer函数实现具体的收发工作。 在编写设备驱动时我们会详细介绍i2c_transfer函数的用法。

• 第47-83行：完成一些基本的初始化，从上到下依次为 获取i2c的时钟、使能i2c时钟、请求中断、初始化队列、设置i2c_adapter结构体的data参数、设置i2c1的时钟分频、设置寄存器为默认值。

• 第86-90行：添加i2c adapter 。根据之前讲解，在系统中一个i2c adapter（一个i2c_adapter结构体）对应一个i2c设备，这一步就是将i2c添加到系统中。参数就是我们前面部分初始化的i2c_imx->adapter结构体。

• 第92-103行：设置平台驱动程序数据,配置DMA等。

整个.prob函数完成了两个主要工作 。第一，初始化i2c1硬件，第二，初始化一个“代表i2c1”的i2c_adapter结构体，并将其添加到系统中。

.probe函数完成了i2c的基本初始化并将其添加到了系统中。i2c总线驱动的另外一个重要工作就是实现i2c对外接口函数。 我们在初始化i2c_adapter结构体时已经初始化了*访问总线算法结构体* i2c_adapter->i2c_algorithm。 具体代码为 i2c_imx->adapter.algo = &i2c_imx_algo 。

在i2c_imx_algo结构体源码如下所示。

static struct i2c_algorithm i2c_imx_algo = {.master_xfer    = i2c_imx_xfer,.functionality  = i2c_imx_func,
};

在i2c设备驱动程序中“i2c_transfer”函数的读、写工工作实际由i2c_imx_xfer函数完成，i2c_imx_xfer函数就是i2c总线驱动中实现具体收发工作的函数。

i2c_imx_xfer部分代码如下所示。

static int i2c_imx_xfer(struct i2c_adapter *adapter, struct i2c_msg *msgs, int num)
{.../* read/write data */for (i = 0; i < num; i++) {if (i == num - 1)is_lastmsg = true;if (i) {dev_dbg(&i2c_imx->adapter.dev,"<%s> repeated start\n", __func__);temp = imx_i2c_read_reg(i2c_imx, IMX_I2C_I2CR);temp |= I2CR_RSTA;imx_i2c_write_reg(temp, i2c_imx, IMX_I2C_I2CR);result =  i2c_imx_bus_busy(i2c_imx, 1);if (result)goto fail0;}dev_dbg(&i2c_imx->adapter.dev,"<%s> transfer message: %d\n", __func__, i);/* write/read data */...if (msgs[i].flags & I2C_M_RD)result = i2c_imx_read(i2c_imx, &msgs[i], is_lastmsg);else {if (i2c_imx->dma && msgs[i].len >= DMA_THRESHOLD)result = i2c_imx_dma_write(i2c_imx, &msgs[i]);elseresult = i2c_imx_write(i2c_imx, &msgs[i]);}if (result)goto fail0;}...
}

从以上代码中可以看到i2c_imx_xfer函数会调用i2c_imx_dma_write、i2c_imx_read、 imx_i2c_write_reg等等基本收发函数实现数据的收发工作，这些基本的收发函数由i2c总线驱动实现。

至此，我们知道i2c总线驱动完成了i2c的硬件初始化、将i2c总线添加到系统、并提供外界访问i2c总线的接口函数。 我们的i2c设备驱动只需要根据特定设备使用这些接口函数即可。

4. i2c设备驱动核心函数

i2c_add_adapter()

向linux系统注册一个i2c适配器

注册一个i2c适配器 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

    //linux系统自动设置i2c适配器编号(adapter->nr)int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter)//手动设置i2c适配器编号(adapter->nr)int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adapter)

参数：

• adapter： i2c物理控制器对应的适配器

返回值：

• 成功： 0

• 失败： 负数

i2c_add_driver()宏

注册一个i2c驱动 (内核源码/include/linux/i2c.h)

#define i2c_add_driver(driver)

这个宏函数的本质是调用了i2c_register_driver()函数，函数如下。

i2c_register_driver()函数

注册一个i2c驱动 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

  int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver)

参数：

• owner： 一般为 THIS_MODULE

• driver： 要注册的 i2c_driver.

返回值：

• 成功： 0

• 失败： 负数

i2c_transfer()函数

i2c_transfer()函数最终就是调用我们前面讲到的i2c_imx_xfer()函数来实现数据传输。

收发i2c消息 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)

参数：

• adap ： struct i2c_adapter 结构体，收发消息所使用的i2c适配器，i2c_client 会保存其对应的 i2c_adapter

• msgs： struct i2c_msg 结构体，i2c要发送的一个或多个消息

• num ： 消息数量，也就是msgs的数量

返回值：

• 成功： 发送的msgs的数量

• 失败： 负数

i2c_msg结构体

描述一个iic消息 (内核源码/include/uapi/linux/i2c.h)：

struct i2c_msg {__u16 addr;     /* slave address                        */__u16 flags;...__u16 len;              /* msg length                           */__u8 *buf;              /* pointer to msg data                  */
};

• addr： iic设备地址

• flags： 消息传输方向和特性。I2C_M_RD：表示读取消息；0：表示发送消息。

• len： 消息数据的长度

• buf： 字符数组存放消息，作为消息的缓冲区

i2c_master_send()函数

发送一个i2c消息 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

 static inline int i2c_master_send(const struct i2c_client *client,const char *buf, int count)
{return i2c_transfer_buffer_flags(client, (char *)buf, count, 0);
};

i2c_master_recv()函数

接收一个i2c消息 (内核源码/include/linux/i2c.h)：

static inline int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client,char *buf, int count)
{return i2c_transfer_buffer_flags(client, buf, count, I2C_M_RD);
};

i2c_transfer_buffer_flags()函数

发送一个i2c消息 (内核源码/drivers/i2c/i2c-core-base.c)：

    int i2c_transfer_buffer_flags(const struct i2c_client *client, char *buf,int count, u16 flags){int ret;struct i2c_msg msg = {.addr = client->addr,.flags = flags | (client->flags & I2C_M_TEN),.len = count,.buf = buf,};ret = i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);/** If everything went ok (i.e. 1 msg transferred), return #bytes* transferred, else error code.*/return (ret == 1) ? count : ret;}

下面以mpu6050为例讲解如何编写i2c设备驱动。

5. mpu6050驱动实验

5.1. 硬件介绍

本节实验使用到 EBF6ULL-PRO 开发板上的 MPU6050。

MPU6050是一款运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。

5.1.1. 硬件原理图分析

MPU6050是通过i2c连接到开发板的，其中传感器上的SDA和SCL连到开发板i2c1; 开发板要控制MPU6050需要先复用这两个引脚为i2c控制器引脚。

查看MPU芯片手册我们可以知道，MPU6050的slave地址为b110100X，七位字长，最低有效位X由AD0管脚上的逻辑电平决定。 从原理图上可以看到，AD0接地，则地址为b1101000，也就是0x68。

5.1.2. 设备树

由上面的原理图分析，我们可以得到下面的设备树。

    pinctrl_i2c1: i2c1grp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART4_TX_DATA__I2C1_SCL 0x4001b8b0MX6UL_PAD_UART4_RX_DATA__I2C1_SDA 0x4001b8b0>;};&i2c1{clock-frequency = <100000>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;status = "okay";i2c_mpu6050@68 {compatible = "fire,i2c_mpu6050";reg = <0x68>;status = "okay";};};

• 第1行： 在iomuxc子节点下面添加新的子节点pinctrl_i2c1: i2c1grp。

• 第2-5行： 在fsl,pins属性声明引脚组MX6UL_PAD_UART4_TX_DATA__I2C1_SCL和MX6UL_PAD_UART4_RX_DATA__I2C1_SDA。

• 第8行： 是在i2c1控制器下面设置i2c1属性。

• 第9行： 设置i2c1控制器的时钟频率100k。

• 第10行： 设置引脚默认状态。

• 第11行： 设置pinctrl_i2c1为具体的引脚组。

• 第12行： 设置i2c1控制器状态为okay。

• 第13行： 添加MPU6050子节点，

• 第14行： 设置MPU6050子节点属性为fire,i2c_mpu6050，和驱动保持一致即可。

• 第15行： 设置reg属性，reg属性只需要指定MPU6050在i2c1总线上的地址，原理图分析可知为0x68。

5.2. 实验代码讲解

本章的示例代码目录为：linux_driver/I2c_MPU6050

5.2.1. 编程思路

i2c_mpu6050驱动实验编程思路如下：

• 分析硬件原理图，编写mpu6050的设备树插件，前面已实现。

• 编写mpu6050驱动程序，

• 编写简单测试应用程序。

5.2.2. mpu6050驱动实现

由于NXP官方已经写好了i2c的总线驱动，mpu6050这个设备驱动就变得很简单，下面结合代码介绍mpu6050设备驱动实现。

和平台设备驱动类似，mpu6050驱动程序结构如下：

static int i2c_write_mpu6050(struct i2c_client *mpu6050_client, u8 address, u8 data)
{return 0;
}
static int i2c_read_mpu6050(struct i2c_client *mpu6050_client, u8 address, void *data, u32 length)
{return 0;
}
static int mpu6050_init(void)
{return 0;
}/*字符设备操作函数集，open函数实现*/
static int mpu6050_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}
/*字符设备操作函数集，.read函数实现*/
static ssize_t mpu6050_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off)
{return 0;
}
/*字符设备操作函数集，.release函数实现*/
static int mpu6050_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}
/*字符设备操作函数集*/
static struct file_operations mpu6050_chr_dev_fops ={.owner = THIS_MODULE,.open = mpu6050_open,.read = mpu6050_read,.release = mpu6050_release,
};/*i2c总线设备函数集*/
static int mpu6050_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{return 0;
}
static int mpu6050_remove(struct i2c_client *client)
{/*删除设备*/return 0;
}/*定义i2c总线设备结构体*/
struct i2c_driver mpu6050_driver = {.probe = mpu6050_probe,.remove = mpu6050_remove,.id_table = gtp_device_id,
};/** 驱动初始化函数*/
static int __init mpu6050_driver_init(void)
{return 0;
}/** 驱动注销函数*/
static void __exit mpu6050_driver_exit(void)
{}module_init(mpu6050_driver_init);
module_exit(mpu6050_driver_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

驱动程序可分为如下四部分内容（从下往上看）：

• 第49-73行： 定义i2c总线设备结构体并实现i2c总线设备的注册和注销函数，在这里就是驱动程序的入口和出口函数。

• 第38-47行： 实现i2c总线设备结构体中定义的操作函数，主要是.probe匹配函数，在.probe函数中添加、注册一个字符设备，这个字符设备用于实现mpu6050的具体功能。

• 第14-36行： 定义并实现字符设备操作函数集。在应用程序中的open、read操作传到内核后就是执行这些函数，所以他们要真正实现对mpu6050的初始化以及读取转换结果。

• 第1-12行： 具体的读、写mpu6050的函数，它们被第三部分的函数调用，用户自行定义。

下面我们将按照这四部分内容介绍mpu6050设备驱动程序实现。

5.2.2.1. 驱动入口和出口函数实现

驱动入口和出口函数仅仅用于注册、注销i2c设备驱动，代码如下：

mpu6050驱动入口和出口函数实现 (linux_driver/I2c_MPU6050/i2c_mpu6050.c)：

/*定义ID 匹配表*/
static const struct i2c_device_id gtp_device_id[] = {{"fire,i2c_mpu6050", 0},{}};/*定义设备树匹配表*/
static const struct of_device_id mpu6050_of_match_table[] = {{.compatible = "fire,i2c_mpu6050"},{/* sentinel */}};/*定义i2c设备结构体*/
struct i2c_driver mpu6050_driver = {.probe = mpu6050_probe,.remove = mpu6050_remove,.id_table = gtp_device_id,.driver = {.name = "fire,i2c_mpu6050",.owner = THIS_MODULE,.of_match_table = mpu6050_of_match_table,},
};/*
*驱动初始化函数
*/
static int __init mpu6050_driver_init(void)
{int ret;pr_info("mpu6050_driver_init\n");ret = i2c_add_driver(&mpu6050_driver);return ret;
}/*
*驱动注销函数
*/
static void __exit mpu6050_driver_exit(void)
{pr_info("mpu6050_driver_exit\n");i2c_del_driver(&mpu6050_driver);
}module_init(mpu6050_driver_init);
module_exit(mpu6050_driver_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

• 第1-9行： 定义设备树匹配表。

• 第13-14行： .probe和.remove，它们是i2c设备的操作函数，.probe函数在匹配成功后会执行,设备注销之前.remove函数会执行，稍后我们会实现这两个函数。

• 第12-21行： 定义的i2c设备驱动结构体mpu6050_driver，和我们之前学习的平台设备驱动类似，一个“结构体”代表了一个设备。结构体内主要成员介绍如下， “.id_table”和“.of_match_table”，它们用于和匹配设备树节点，具体实现如代码如第二行、第七行。

• 第26-41行： 就是我们常说的驱动入口和出口函数。在入口函数内我们调用“i2c_add_driver”函数添加一个i2c设备驱动。在出口函数内调用“i2c_del_driver”函数删除一个i2c设备驱动。它们的参数都只有一个i2c设备驱动结构体。

5.2.2.2. .probe函数和.remove函数实现

通常情况下.probe用于实现一些初始化工作，.remove用于实现退出之前的清理工作。 mpu6050需要初始化的内容很少，我们放到了字符设备的.open函数中实现.probe函数只需要添加、注册一个字符设备即可。 程序源码如下所示：

mpu6050驱动.prob和.remove函数实现 (linux_driver/I2c_MPU6050/i2c_mpu6050.c)：

static int mpu6050_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{int ret = -1; //保存错误状态码printk(KERN_EMERG "\t  match successed  \n");//采用动态分配的方式，获取设备编号，次设备号为0ret = alloc_chrdev_region(&mpu6050_devno, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);if (ret < 0){printk("fail to alloc mpu6050_devno\n");goto alloc_err;}...
}static int mpu6050_remove(struct i2c_client *client)
{/*删除设备*/device_destroy(class_mpu6050, mpu6050_devno);     //清除设备class_destroy(class_mpu6050);                     //清除类cdev_del(&mpu6050_chr_dev);                       //清除设备号unregister_chrdev_region(mpu6050_devno, DEV_CNT); //取消注册字符设备return 0;
}

• .probe函数仅仅注册了一个字符设备，注册字符设备已经在之前的驱动程序中多次使用，这里不再赘述。

• .remove函数工作是注销字符设备。

5.2.2.3. 实现字符设备操作函数集

在.probe函数中添加了一个字符设备，mpu6050的初始化以及转换结果的读取都在这个字符设备的操作函数中实现， 其中最主要是.open 和.read函数。下面是这两个函数的实现。

.open函数实现(我们在.open函数中配置mpu6050)，具体代码如下：

open函数实现 (linux_driver/I2c_MPU6050/i2c_mpu6050.c)：

/*字符设备操作函数集，open函数实现*/
static int mpu6050_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{printk("\n mpu6050_open \n");/*向 mpu6050 发送配置数据，让mpu6050处于正常工作状态*/mpu6050_init();return 0;
}/*初始化i2c*返回值，成功，返回0。失败，返回 -1*/
static int mpu6050_init(void)
{int error = 0;/*配置mpu6050*/error += i2c_write_mpu6050(mpu6050_client, PWR_MGMT_1, 0X00);error += i2c_write_mpu6050(mpu6050_client, SMPLRT_DIV, 0X07);error += i2c_write_mpu6050(mpu6050_client, CONFIG, 0X06);error += i2c_write_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_CONFIG, 0X01);if (error < 0){/*初始化错误*/printk(KERN_DEBUG "\n mpu6050_init error \n");return -1;}return 0;
}/*通过i2c 向mpu6050写入数据*mpu6050_client：mpu6050的i2c_client结构体。*address, 数据要写入的地址，*data, 要写入的数据*返回值，错误，-1。成功，0*/
static int i2c_write_mpu6050(struct i2c_client *mpu6050_client, u8 address, u8 data)
{int error = 0;u8 write_data[2];struct i2c_msg send_msg; //要发送的数据结构体/*设置要发送的数据*/write_data[0] = address;write_data[1] = data;/*发送 iic要写入的地址 reg*/send_msg.addr = mpu6050_client->addr; //mpu6050在 iic 总线上的地址send_msg.flags = 0;                   //标记为发送数据send_msg.buf = write_data;            //写入的首地址send_msg.len = 2;                     //reg长度/*执行发送*/error = i2c_transfer(mpu6050_client->adapter, &send_msg, 1);if (error != 1){printk(KERN_DEBUG "\n i2c_transfer error \n");return -1;}return 0;
}

• 第2行： 在.open函数中仅仅调用了我们自己编写的mpu6050_init函数。

• 第13-29行： 调用i2c_write_mpu6050函数向mpu6050发送控制参数，控制参数可参考芯片手册，我们重点讲解函数i2c_write_mpu6050实现。

• 第33行： 参数mpu6050_client是i2c_client类型的结构体，填入mpu6050设备对应的i2c_client结构体即可。

• 第34行： 参数address，用于设置要写入的地址。这个地址是要写入mpu6050的内部地址。

• 第35行： 参数data, 指定要写入的数据。

• 第42行： 定义struct i2c_msg结构体，用来装要发送数据。

• 第45-46行： 写入数据时要先发送写入的地址然后发送要写入的数据，这里用长度为二的数组保存地址和数据

• 第49-52： i2c_msg结构体填入总线上的地址，标记发送数据，首地址，以及reg长度。

• 第55行： i2c_write_mpu6050函数，该函数是对i2c_transfer函数的封装，而i2c_transfer是系统提供的i2c设备驱动发送函数，根据之前讲解这个函数最终会调用i2c总线驱动里的函数，最终由i2c总线驱动执行收、发工作。我们这里要做的就是按照规定的格式编写要发送的数据。

mpu6050_read函数源码如下所示 (linux_driver/I2c_MPU6050/i2c_mpu6050.c)：

/*字符设备操作函数集，.read函数实现*/
static ssize_t mpu6050_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off)
{char data_H;char data_L;int error;short mpu6050_result[6]; //保存mpu6050转换得到的原始数据i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_XOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_XOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[0] = data_H << 8;mpu6050_result[0] += data_L;i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_YOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_YOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[1] = data_H << 8;mpu6050_result[1] += data_L;i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_ZOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, ACCEL_ZOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[2] = data_H << 8;mpu6050_result[2] += data_L;i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_XOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_XOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[3] = data_H << 8;mpu6050_result[3] += data_L;i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_YOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_YOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[4] = data_H << 8;mpu6050_result[4] += data_L;i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_ZOUT_H, &data_H, 1);i2c_read_mpu6050(mpu6050_client, GYRO_ZOUT_L, &data_L, 1);mpu6050_result[5] = data_H << 8;mpu6050_result[5] += data_L;/*将读取得到的数据拷贝到用户空间*/error = copy_to_user(buf, mpu6050_result, cnt);if(error != 0){printk("copy_to_user error!");return -1;}return 0;
}

.read函数很简单，大致分为如下两部分，重点是i2c_read_mpu6050函数的实现。

• 第10-38行： 调用i2c_read_mpu6050函数读取mpu6050转换结果。

• 第41行： 调用copy_to_user函数将转换得到的数据拷贝到用户空间。

 i2c_read_mpu6050函数实现 (linux_driver/I2c_MPU6050/i2c_mpu6050.c)：

static int i2c_read_mpu6050(struct i2c_client *mpu6050_client, u8 address, void *data, u32 length)
{int error = 0;u8 address_data = address;struct i2c_msg mpu6050_msg[2];/*设置读取位置i2c_msg*/mpu6050_msg[0].addr = mpu6050_client->addr; //mpu6050在 iic 总线上的地址mpu6050_msg[0].flags = 0;                   //标记为发送数据mpu6050_msg[0].buf = &address_data;         //写入的首地址mpu6050_msg[0].len = 1;                     //写入长度/*读取i2c_msg*/mpu6050_msg[1].addr = mpu6050_client->addr; //mpu6050在 iic 总线上的地址mpu6050_msg[1].flags = I2C_M_RD;            //标记为读取数据mpu6050_msg[1].buf = data;                  //读取得到的数据保存位置mpu6050_msg[1].len = length;                //读取长度error = i2c_transfer(mpu6050_client->adapter, mpu6050_msg, 2);if (error != 2){printk(KERN_DEBUG "\n i2c_read_mpu6050 error \n");return -1;}return 0;
}

它与我们之前讲解的i2c_write_mpu6050函数很相似，结合源码介绍如下：

• 第1行： 参数mpu6050_client是i2c_client类型的结构体，填入mpu6050设备对应的i2c_client结构体即可。参数address，用于设置要读取的地址，这个地址是要读取的mpu6050的内部地址。参数data,保存读取得到的数据。参数length，指定去取长度，单位字节。

• 第3-5行： 定义的一些变量，其中i2c_msg结构体，读取工作与写入不同，读取时需要先写入要读取的地址然后再执行读取。

• 第8-17行： 初始化i2c_msg结构体。这里初始化了两个，第一个是写入要读取的地址，第二个执行读取，特别注意的是第一个i2c_msg结构体的flags设置为0（或者I2C_M_RD | I2C_M_REV_DIR_ADDR），第二个i2c_msg结构体的flags设置为1（或者I2C_M_RD）。

• 第19行： 和i2c_write_mpu6050()函数相同，调用i2c_transfer函数，最终由i2c总线驱动执行收、发工作。

5.2.3. mpu6050测试应用程序实现

这里编写一个简单地测试应用程序测试驱动是否正常，很简单，只需要打开、读取、打印即可。测试代码如下所示。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{short resive_data[6];printf("led_tiny test\n");/*打开文件*/int fd = open("/dev/I2C1_mpu6050", O_RDWR);if(fd < 0){printf("open file : %s failed !\n", argv[0]);return -1;}/*读取数据*/int error = read(fd,resive_data,12);if(error < 0){printf("write file error! \n");close(fd);/*判断是否关闭成功*/}printf("AX=%d, AY=%d, AZ=%d ",(int)resive_data[0],(int)resive_data[1],(int)resive_data[2]);printf("GX=%d, GY=%d, GZ=%d \n \n",(int)resive_data[3],(int)resive_data[4],(int)resive_data[5]);/*关闭文件*/error = close(fd);if(error < 0){printf("close file error! \n");}return 0;
}

• 第8行： 保存收到的 mpu6050转换结果数据，依次为 AX(x轴角度), AY, AZ 。GX(x轴加速度), GY ,GZ

• 第12-17行： 打开MPU6050设备文件。

• 第20-29行： 读取传感器是并打印

测试应用程序很简单，我们不过多介绍，只说明一点，在驱动的.read函数中我们每次读取了6050的AX, AY, AZ ，GX, GY ,GZ共六个short类型数据，在应用程序中每次读取也要读这么多。

5.3. 实验准备

5.3.1. 编译设备树

将 linux_driver/I2c_MPU6050/imx6ull-mmc-npi.dts 拷贝到 内核源码/arch/arm/boot/dts/

如下命令编译设备树：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- npi_v7_defconfig
make ARCH=arm -j4 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

编译成功后生成的设备树文件（.dtb）位于源码目录下的 内核源码/arch/arm/boot/dts， 开发板适配的设备树文件名为 imx6ull-mmc-npi.dts。

5.3.2. 编译驱动程序和应用程序

将 linux_driver/I2c_MPU6050/ 拷贝到内核源码同级目录，执行里面的MakeFile，生成i2c_mpu6050.ko和6050_test_app

5.4. 程序运行结果

5.4.1. 加载设备树

通过SCP或NFS将编译好的设备树拷贝到开发板上。替换掉原来的设备树文件 /usr/lib/linux-image-4.19.35-imx6/imx6ull-mmc-npi.dts 。

除此以外还需要将开发板上其他i2c设备屏蔽，打开/boot/目录下的uEnv.txt文件，屏蔽如下内容。

reboot 重启开发板。

5.4.2. 测试效果

加载i2c_mpu6050.ko，拿起开发板，运行6050_test_app即可看到如下效果。

注意：这里采集的是原始数据，所以波动较大是正常的。