Linux I2C 核心、總線驅動與裝置驅動架構全解析

Linux I2C 子系統採用三層架構：I2C 核心、I2C 總線驅動（適配器）、I2C 裝置驅動（客戶端）。本文系統剖析架構分工、四大核心資料結構（i2c_adapter、i2c_algorithm、i2c_driver、i2c_client）、核心原始碼組織、sysfs 介面，並提供驅動開發模板與 S3C2410/SAA7113H 實戰案例。

一、三層架構職責劃分

二、四大核心資料結構

1. i2c_adapter（I2C 適配器/控制器）

struct i2c_adapter {
    struct module *owner;
    unsigned int id;           // 演算法類型 (I2C_ALGO_*)
    unsigned int class;
    struct i2c_algorithm *algo; // 傳輸演算法指標
    void *algo_data;           // 演算法私有資料
    int (*client_register)(struct i2c_client *);
    int (*client_unregister)(struct i2c_client *);
    struct semaphore bus_lock;  // 並發鎖
    struct semaphore clist_lock;
    int timeout;
    int retries;
    struct device dev;         // sysfs 裝置
    struct class_device class_dev;
    int nr;
    struct list_head clients;  // 掛載的 client 鏈表
    struct list_head list;
};

2. i2c_algorithm（傳輸演算法）

struct i2c_algorithm {
    int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *, struct i2c_msg *, int); // 主機傳輸
    int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *, struct i2c_smbus_ioctl_data *); // SMBus
    u32 (*functionality)(struct i2c_adapter *); // 支援功能位圖
};

3. i2c_driver（裝置驅動）

struct i2c_driver {
    int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);  // 掃描裝置
    int (*detach_client)(struct i2c_client *);    // 移除裝置
    int (*command)(struct i2c_client *, unsigned int, void *); // Ioctl 類命令
    struct device_driver driver;
    struct list_head list;
};

4. i2c_client（裝置實例）

struct i2c_client {
    unsigned short flags;
    unsigned short addr;        // 7-bit 位址
    struct i2c_adapter *adapter; // 所屬適配器
    struct i2c_driver *driver;   // 綁定的驅動
    struct device dev;           // sysfs 裝置
    struct list_head list;
    char name[I2C_NAME_SIZE];
};

三、核心原始碼組織 (drivers/i2c/)

• i2c-core.c：核心邏輯、/proc/bus/i2c*
• i2c-dev.c：用戶空間介面（/dev/i2c-N），提供 read/write/ioctl 通用存取
• chips/：特定晶片驅動（EEPROM、RTC、感測器等）
• busses/：控制器驅動（i2c-s3c2410.c 等）
• algos/：通用演算法實作（位元撥動、硬體控制器等）

四、Sysfs 介面

核心 2.6+ 所有 I2C 裝置出現在 /sys/bus/i2c/：

/sys/bus/i2c/
|-- devices
|   |-- 0-0048 -> ../../../devices/legacy/i2c-0/0-0048
|   `-- ...
`-- drivers
    |-- i2c_adapter
    `-- lm75
        |-- 0-0048 -> ...
        `-- ...

命名規則：adapter_addr-addr（如 0-0048 表示適配器 0、位址 0x48）。

五、驅動開發流程模板

總線驅動

1. 定義 i2c_algorithm 實作 master_xfer
2. 定義 i2c_adapter，指向 algo
3. i2c_add_adapter(&adapter) 註冊

裝置驅動

1. 定義 i2c_driver，實作 attach_adapter（呼叫 i2c_probe() 掃描）
2. i2c_add_driver(&driver) 註冊
3. 掃描到裝置時建立 i2c_client，i2c_attach_client()
4. 使用 i2c_master_send/recv() 或 i2c_transfer() 通訊

六、實戰案例：S3C2410 I2C 控制器 + SAA7113H 視訊解碼器

• 總線驅動：i2c-s3c2410.c 實作 S3C2410 I2C 控制器寄存器操作
• 裝置驅動：chips/saa7113h.c 實作視訊解碼器初始化、暫存器配置
• 板級檔案：宣告 i2c_board_info 靜態註冊裝置位址