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前言

??IIC我們已經學習過很多次了，在應用部分我們已經介紹過其應用層的開發，這章我們將繼續驅動部分的開發。本次實驗采用MPU6050，使用了input子系統及IIC子系統構成。

一、IIC驅動框架

??i2c總線包括i2c設備(i2c_client)和i2c驅動(i2c_driver)，當我們向linux中注冊設備或驅動的時候，按照i2c總線匹配規則進行配對，這也意味著我們不再需要手動創建，而是使用設備樹機制引入，設備樹節點是與paltform總線相配合使用，在匹配成功之后自動進入.probe函數。

?I2C core框架
??提供了核心數據結構的定義和相關接口函數，用來實現I2C適配器驅動和設備驅動的注冊、注銷管理，以及I2C通信方法上層的、與具體適配器無關的代碼，為系統中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。
?I2C總線驅動
??定義描述具體I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構、實現在具體I2C適配器上的I2C總線通信方法，并由i2c_algorithm數據結構進行描述。 經過I2C總線驅動的的代碼，可以為我們控制I2C產生開始位、停止位、讀寫周期以及從設備的讀寫、產生ACK等。
?I2C 設備驅動
??I2C 設備驅動通過I2C適配器與CPU通信，其中主要包含i2c_driver和i2c_client數據結構，i2c_driver結構對應一套具體的驅動方法。i2c_client數據結構由內核根據具體的設備注冊信息自動生成，設備驅動根據硬件具體情況填充。

二、總線驅動

??一個完整的iic驅動函數包括兩部分，即iic總線驅動和設備驅動，而總線部分的驅動通常情況下在外設出廠時就由廠商提供，這里我們便簡單了解即可。

2.1 iic總線的運行機制

1. 注冊i2C總線
2. 將i2C驅動添加到i2C總線的驅動鏈表中
3. 遍歷i2C總線上的設備鏈表，根據i2c_device_match函數進行匹配，如果匹配調用i2c_device_probe函數
4. i2c_device_probe函數會調用I2C驅動的probe函數

2.2 重要數據結構

??在應用層的學習中我們已經介紹過i2c_algorithm,i2c_client和i2c_adapter結構體，感興趣可以回顧下。

2.2.1 i2c_driver結構體

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設備和i2c驅動匹配后，回調該函數指針。
• id_table： struct i2c_device_id 要匹配的從設備信息。
• address_list： 設備地址
• clients： 設備鏈表
• detect： 設備探測函數

2.2.2 i2c總線結構體

//定義總線，維護著兩個鏈表(I2C驅動、I2C設備)，管理I2C設備和I2C驅動的匹配和刪除等
struct bus_type i2c_bus_type = {.name           = "i2c",.match          = i2c_device_match,.probe          = i2c_device_probe,.remove         = i2c_device_remove,.shutdown       = i2c_device_shutdown,};

2.3 匹配規則

??一般來說，i2c的匹配方式有三種，包括設備樹，ACPI和字符匹配，這部分的對比前章已經介紹過了。現在我們習慣性采用設備樹的匹配方式：

static int i2c_device_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{struct i2c_client       *client = i2c_verify_client(dev);struct i2c_driver       *driver;//設備樹匹配方式，比較 I2C 設備節點的 compatible 屬性和 of_device_id 中的 compatible 屬性if (i2c_of_match_device(drv->of_match_table, client))return 1;//ACPI 匹配方式if (acpi_driver_match_device(dev, drv))return 1;driver = to_i2c_driver(drv);//i2c總線傳統匹配方式，比較 I2C設備名字和 i2c驅動的id_table->name 字段是否相等if (i2c_match_id(driver->id_table, client))return 1;return 0;
}

三、設備樹的修改

??下面是瑞芯微官方給出的ic3控制器的設備樹代碼：

//存放于“rk3568.dtsi”
i2c2: i2c@fe5b0000 {//驅動名稱compatible = "rockchip,rk3399-i2c";//寄存器reg = <0x0 0xfe5b0000 0x0 0x1000>;//時鐘源clocks = <&cru CLK_I2C2>, <&cru PCLK_I2C2>;clock-names = "i2c", "pclk";//中斷源interrupts = <GIC_SPI 48 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&i2c2m0_xfer>;#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;status = "disabled";//存放于“rk3568-pinctrl.dtsi”
i2c2 {/omit-if-no-ref/i2c2m0_xfer: i2c2m0-xfer {rockchip,pins =/* i2c2_sclm0 */<0 RK_PB5 1 &pcfg_pull_none_smt>,/* i2c2_sdam0 */<0 RK_PB6 1 &pcfg_pull_none_smt>;};/omit-if-no-ref/i2c2m1_xfer: i2c2m1-xfer {rockchip,pins =/* i2c2_sclm1 */<4 RK_PB5 1 &pcfg_pull_none_smt>,/* i2c2_sdam1 */<4 RK_PB4 1 &pcfg_pull_none_smt>;};};

??接下來就是我們要編寫的內容，這部分編寫方式和以前一樣即可。

&i2c2 {status = "okay";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&i2c2m0_xfer>;     #address-cells = <1>;#size-cells = <0>;/*添加你的I2C設備參考*/myi2c: myi2c@68 {compatible = "company,myi2c";reg = <0x68>;status = "okay";};

四、設備驅動的編寫

4.1 相關API函數

4.1.1 i2c_add_adapter( )

??使用這個函數時，不需要提前指定適配器編號，內核會負責管理和分配編號，適合于大多數情況下的使用。

//自動分配 I2C 適配器編號
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adapter);

??適配器編號（adapter->nr）在注冊過程中由系統自動設置，具體的步驟如下：

• 適配器初始化：調用這個函數之前，需要先初始化 i2c_adapter 結構體，填充相關字段。
• 自動分配編號：內核會自動選擇一個可用的編號，并將其分配給 adapter->nr。
• 注冊適配器：將適配器注冊到 I2C子系統中，使其可以被使用。

注：相似地還還存在int i2c_add_numbered_adapter(struct i2c_adapter *adapter)函數，這個函數用于手動設置 I2C 適配器編號。調用這個函數之前，需要先初始化 i2c_adapter 結構體，并填充 adapter->nr 字段和其他相關字段。
i2c_register_driver 函數用于在 Linux 內核中注冊一個 I2C 驅動。這個函數是 I2C 子系統的一部分，用于將一個 I2C 驅動程序注冊到 I2C 驅動程序模型中，以便內核能夠識別并管理該驅動程序。

4.1.2 i2c_register_driver( )

??這個函數是 I2C 子系統的一部分，用于將一個 I2C 驅動程序注冊到 I2C 驅動程序模型中，以便內核能夠識別并管理該驅動程序。

//在 Linux 內核中注冊一個 I2C 驅動
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver);

• 參數:
  • owner：通常使用 THIS_MODULE 宏來指定當前模塊
  • driver：指向一個 i2c_driver 結構體，該結構體包含了驅動程序的相關信息和操作函數
• 返回值：
  • 0：成功注冊
  • 負數：注冊失敗

注：#define i2c_add_driver(driver)宏定義是對i2c_register_driver函數的調用，也可以直接使用這個宏定義進行注冊

4.1.3 i2c_transfer( )

??i2c_transfer 是一個底層函數，它可以執行多條消息的讀寫操作。

//在 I2C 總線上進行數據傳輸
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

• 參數
  • adap：指向 i2c_adapter 結構體的指針，表示 I2C 適配器。
  • msgs：指向 i2c_msg 結構體數組的指針，每個 i2c_msg 結構體表示一條 I2C 消息。
  • num：消息數量。
• 返回值
  • 正值：表示成功傳輸的消息數量。
  • 負值：表示傳輸失敗，返回一個負的錯誤代碼。

注：i2c_msg結構體之前在應用開發實驗時已經介紹過了， 這里簡單回憶一下：

//描述一個iic消息
struct i2c_msg {__u16 addr;     //iic設備地址__u16 flags;	//消息傳輸方向和特性。I2C_M_RD：表示讀取消息；0：表示發送消息__u16 len;      //消息數據的長度__u8 *buf;      //字符數組存放消息，作為消息的緩沖區... 
};

4.1.4 i2c_master_send( )

??i2c_master_send 是一個便捷函數，用于向 I2C 設備發送數據。

復制代碼
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, const char *buf, int count);

• 參數
  • client：指向 i2c_client 結構體的指針，表示目標 I2C 設備。
  • buf：指向數據緩沖區的指針。
  • count：要發送的數據長度。
• 返回值
  • 正值：表示成功發送的字節數。
  • 負值：表示發送失敗，返回一個負的錯誤代碼。

4.1.5 i2c_master_recv( )

??i2c_master_recv 是一個便捷函數，用于從 I2C 設備接收數據。

int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char *buf, int count);

• 參數
  • client：指向 i2c_client 結構體的指針，表示目標 I2C 設備。
  • buf：指向接收緩沖區的指針。
  • count：要接收的數據長度。
• 返回值
  • 正值：表示成功接收的字節數。
  • 負值：表示接收失敗，返回一個負的錯誤代碼。

4.1.6 i2c_transfer_buffer_flags( )

//用于在 I2C 總線上進行帶有特定標志的數據傳輸
int i2c_transfer_buffer_flags(const struct i2c_client *client, char *buf, int count, u16 flags);

• 參數
  • client：指向 i2c_client 結構體的指針，表示目標 I2C 設備。
  • buf：指向數據緩沖區的指針。
  • count：要傳輸的數據長度。
  • flags：傳輸標志。
• 返回值
  • 正值：表示成功傳輸的字節數。
  • 負值：表示傳輸失敗，返回一個負的錯誤代碼。

4.1.7 i2c_del_driver( )

??這個函數與 i2c_register_driver 相對應，i2c_register_driver 用于注冊一個 I2C 驅動程序，而 i2c_del_driver 用于注銷它。

//從I2C 子系統中注銷一個 I2C 驅動程序
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver);

• 參數
  • driver：指向一個 i2c_driver 結構體，該結構體表示要注銷的 I2C 驅動程序

4.1.8 i2c_set_clientdata

??這個函數用于在I2C驅動的probe函數中設置私有數據指針。這個私有數據通常是指向設備結構體或者其他相關數據結構的指針，它允許驅動在后續的操作中能夠方便地訪問這些數據。

void i2c_set_clientdata(struct i2c_client *client, void *data);

• 參數
  • client：指向I2C設備客戶端結構體的指針。
  • data：要設置的私有數據指針，通常指向一個自定義的設備結構體或其他相關數據。

4.2 MPU6050

4.2.1 基本介紹

??MPU6050是全球首例整合性6軸（3軸陀螺儀+3軸加速度計）運動處理組件，也可以通過擴展實現9軸運動處理（在連接三軸磁傳感器后）。它集成了三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP（Digital Motion Processor）。MPU6050通過I2C接口與微控制器通信，廣泛應用于需要精確姿態測量的場合，如無人機、機器人和智能穿戴設備等。

4.2.2 主要特點

1. 整合性：MPU6050免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。
2. 靈活性：MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準確追蹤快速與慢速動作；用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g，滿足各種應用需求。
3. 接口：MPU6050支持最高至400kHz的I2C接口，對于需要高速傳輸的應用，也可使用SPI接口（但請注意，SPI接口僅在MPU-6000上可用）。
4. 穩定性：MPU6050具有內建的溫度感測器和在工作環境下僅有±1%變動的振蕩器，保證了測量數據的穩定性。
5. 尺寸與封裝：MPU6050采用QFN封裝（無引線方形封裝），尺寸為4x4x0.9mm，可承受最大10000g的沖擊。
6. 電源：VDD供電電壓為2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VDDIO為1.8V±5%或VDD。
7. 功耗：陀螺儀運作電流5mA，待命電流5μA；加速器運作電流350μA，省電模式電流20μA@10Hz。
8. 性能：陀螺儀敏感度131 LSBs/°/sec，加速度計范圍±2g至±16g。

4.2.3 引腳對應表

MPU6050引腳	說明	泰山派引腳
SCL	SCL引腳	GPIO0_B5
SDA	SDA引腳	GPIO0_B6
XDA	沒有使用
XCL	沒有使用
AD0	接地	GND
INT（Interrupt）	懸空或者接地
GND	GND	GND
VCC	電源	3.3V

4.3 驅動編寫

4.3.1 IIC驅動的設計框架

??本次實驗大致采用input子系統和IIC子系統，這里著重講一下這部分的設計思路：

1. 本實驗采用設備樹匹配的方式進行匹配，故而需要設置i2c_driver結構體。

//定義ID匹配表
static const struct i2c_device_id gtp_device_id[] = {{"company,myi2c", 0},{}
};
//定義設備樹匹配表
static const struct of_device_id mpu6050_of_match_table[] = {{.compatible = "company,myi2c"},{}
};
//定義i2c設備結構體
struct i2c_driver mpu6050_driver = {.probe = mpu6050_probe,.remove = mpu6050_remove,.id_table = gtp_device_id,.driver = {.owner = THIS_MODULE,.name = "company,myi2c",.of_match_table = mpu6050_of_match_table,},
};

2. 出入口函數的編寫，通常情況下這里需要編寫module_init和module_exti，并且在其中分別使用i2c_register_driver( )函數和i2c_del_driver( )函數進行 i2c 驅動的注冊和注銷。但是這里引入一個module_i2c_driver(driver) 宏定義，這個宏定義可以自動進行iic總線的注冊和注銷，故而不需要前兩個函數的編寫。
3. probe函數的編寫，這部分內容我們需要的進行內存申請，之后便可以進行選擇利用字符設備的方式還是input子系統，筆者這里選擇趁熱打鐵使用input設備，這里流程不太熟悉的可以回顧上章內容。之后利用i2c_set_clientdata將數據和設備鏈接起來。
4. remove函數的編寫，這部分與probe函數對應即可，如果選擇字符設備的方式，則依次進行device_destroy(設備刪除)、class_destroy(清除類)、cdev_del(清除設備號)、unregister_chrdev_region(注銷字符設備)；若采用input的子系統，則僅需要使用input_unregister_device(注銷input設備即可）。
5. 具體外設的初始化、讀、寫函數的編寫，這部分內容根據廠商提供的寄存器、時序圖操作即可。
6. 若使用字符設備的話，這里還需要編寫operations結構體相關函數，包括open、write、read、release，并利用cdev_init()函數與設備進行綁定。

4.3.2 .probe函數

static int mpu6050_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id){struct mpu6050_data *data;int ret = 0;printk(KERN_EMERG "mpu6050_probe enter!\n");data = devm_kzalloc(&client->dev, sizeof(struct mpu6050_data), GFP_KERNEL);if (!data){printk(KERN_EMERG "devm_kzalloc err!\n");return -ENOMEM;}data->client = client;ret = mpu6050_init_device(client);if(ret < 0){printk(KERN_EMERG "mpu6050_init_device err!\n");return ret;}data->input_dev = devm_input_allocate_device(&client->dev);if (!data->input_dev){printk(KERN_EMERG "devm_input_allocate_device err!\n");return -ENOMEM;}data->input_dev->name = "mpu6050";data->input_dev->id.bustype = BUS_I2C;input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_X, -32768, 32767, 0, 0);input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_Y, -32768, 32767, 0, 0);input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_Z, -32768, 32767, 0, 0);input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_RX, -32768, 32767, 0, 0);input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_RY, -32768, 32767, 0, 0);input_set_abs_params(data->input_dev, ABS_RZ, -32768, 32767, 0, 0);ret = input_register_device(data->input_dev);if (ret < 0){printk("input_register_device err!\n");return ret;}i2c_set_clientdata(client, data);INIT_DELAYED_WORK(&data->work, mpu6050_report_data);schedule_delayed_work(&data->work, msecs_to_jiffies(100));return 0;
}

4.3.3 .remove函數

static int mpu6050_remove(struct i2c_client *client){struct mpu6050_data *data = i2c_get_clientdata(client);printk(KERN_EMERG "mpu6050_remove enter!\n");cancel_delayed_work_sync(&data->work);input_unregister_device(data->input_dev);return 0;
}

4.3.4 mpu6050初始化函數

static int mpu6050_init_device(struct i2c_client *client)
{int error = 0;error += i2c_write_mpu6050(client, PWR_MGMT_1, 0x00);error += i2c_write_mpu6050(client, SMPLRT_DIV, 0x07);error += i2c_write_mpu6050(client, CONFIG, 0x06);error += i2c_write_mpu6050(client, ACCEL_CONFIG, 0x01);if (error < 0) {printk(KERN_DEBUG "mpu6050_init_device error\n");return error;}return 0;
}

4.3.5 write/read函數

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;write_data[0] = address;write_data[1] = data;send_msg.addr = mpu6050_client->addr;send_msg.flags = 0;send_msg.buf = write_data;send_msg.len = 2;error = i2c_transfer(mpu6050_client->adapter, &send_msg, 1);if (error != 1) {printk(KERN_DEBUG "i2c_write_mpu6050 error\n");return -EIO;}return 0;
}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];mpu6050_msg[0].addr = mpu6050_client->addr;mpu6050_msg[0].flags = 0;mpu6050_msg[0].buf = &address_data;mpu6050_msg[0].len = 1;mpu6050_msg[1].addr = mpu6050_client->addr;mpu6050_msg[1].flags = I2C_M_RD;mpu6050_msg[1].buf = data;mpu6050_msg[1].len = length;error = i2c_transfer(mpu6050_client->adapter, mpu6050_msg, 2);if (error != 2) {printk(KERN_DEBUG "i2c_read_mpu6050 error\n");return -EIO;}return 0;
}

4.3.6 report函數

static void mpu6050_report_data(struct work_struct *work)
{struct mpu6050_data *data = container_of(work, struct mpu6050_data, work.work);struct i2c_client *client = data->client;s16 accel_data[3];s16 gyro_data[3];u8 buffer[14];int ret;ret = i2c_read_mpu6050(client, ACCEL_XOUT_H, buffer, 14);if (ret < 0) {dev_err(&client->dev, "Failed to read data: %d\n", ret);return;}accel_data[0] = (buffer[0] << 8) | buffer[1];accel_data[1] = (buffer[2] << 8) | buffer[3];accel_data[2] = (buffer[4] << 8) | buffer[5];gyro_data[0] = (buffer[8] << 8) | buffer[9];gyro_data[1] = (buffer[10] << 8) | buffer[11];gyro_data[2] = (buffer[12] << 8) | buffer[13];//用于報告絕對坐標事件input_report_abs(data->input_dev, ABS_X, accel_data[0]);input_report_abs(data->input_dev, ABS_Y, accel_data[1]);input_report_abs(data->input_dev, ABS_Z, accel_data[2]);input_report_abs(data->input_dev, ABS_RX, gyro_data[0]);input_report_abs(data->input_dev, ABS_RY, gyro_data[1]);input_report_abs(data->input_dev, ABS_RZ, gyro_data[2]);input_sync(data->input_dev);schedule_delayed_work(&data->work, msecs_to_jiffies(100));
}

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