harmony 鸿蒙I3C

2022-08-09
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I3C

概述

功能简介

I3C（Improved Inter Integrated Circuit）总线是由MIPI Alliance开发的一种简单、低成本的双向二线制同步串行总线。

I3C是两线双向串行总线，针对多个传感器从设备进行了优化，并且一次只能由一个I3C主设备控制。相比于I2C，I3C总线拥有更高的速度、更低的功耗，支持带内中断、从设备热接入以及切换当前主设备，同时向后兼容I2C从设备。I3C增加了带内中断（In-Bind Interrupt）功能，支持I3C设备进行热接入操作，弥补了I2C总线需要额外增加中断线来完成中断的不足。I3C总线上允许同时存在I2C设备、I3C从设备和I3C次级主设备。

基本概念

IBI（In-Band Interrupt）：带内中断。

在SCL线没有启动信号时，I3C从设备可以通过拉低SDA线使主设备发出SCL启动信号，从而发出带内中断请求。若有多个从设备同时发出中断请求，I3C主设备则通过从设备地址进行仲裁，低地址优先相应。
DAA（Dynamic Address Assignment）：动态地址分配。

I3C支持对从设备地址进行动态分配从而避免地址冲突。在分配动态地址之前，连接到I3C总线上的每个I3C/I2C设备都应以两种方式之一来唯一标识：
- 设备可能有一个符合I2C规范的静态地址，主机可以使用此静态地址。
- 在任何情况下，I3C设备均应具有48位的临时ID。除非设备具有静态地址且主机使用静态地址，否则主机应使用此48位临时ID。
CCC（Common Command Code）：通用命令代码。

所有I3C设备均支持CCC，可以直接将其传输到特定的I3C从设备，也可以同时传输到所有I3C从设备。
BCR（Bus Characteristic Register）：总线特性寄存器。

每个连接到I3C总线的I3C设备都应具有相关的只读总线特性寄存器（BCR），该寄存器描述了I3C兼容设备在动态地址分配和通用命令代码中的作用和功能。
DCR（Device Characteristic Register）：设备特性寄存器。

连接到I3C总线的每个I3C设备都应具有相关的只读设备特性寄存器（DCR），该寄存器描述了用于动态地址分配和通用命令代码的I3C兼容设备类型（例如加速度计、陀螺仪等）。

运作机制

在HDF框架中，同类型控制器对象较多时（可能同时存在十几个同类型控制器），如果采用独立服务模式则需要配置更多的设备节点，且相关服务会占据更多的内存资源。相反，采用统一服务模式可以使用一个设备服务作为管理器，统一处理所有同类型对象的外部访问（这会在配置文件中有所体现），实现便捷管理和节约资源的目的。I3C模块采用统一服务模式（如图1）。

I3C模块各分层的作用为：

接口层：提供打开设备，写入数据，关闭设备的能力。
核心层：主要负责服务绑定、初始化以及释放管理器，并提供添加、删除以及获取控制器的能力。由于框架需要统一管理I3C总线上挂载的所有设备，因此还提供了添加、删除以及获取设备的能力，以及中断回调函数。
适配层：由驱动适配者实现与硬件相关的具体功能，如控制器的初始化等。

在统一模式下，所有的控制器都被核心层统一管理，并由核心层统一发布一个服务供接口层，因此这种模式下驱动无需再为每个控制器发布服务。

图 1 I3C统一服务模式结构图

I3C统一服务模式结构图

约束与限制

I3C模块当前仅支持轻量和小型系统内核（LiteOS-A）。

开发指导

场景介绍

I3C可连接单个或多个I3C、I2C从器件，它主要用于：

与传感器通信，如陀螺仪、气压计或支持I3C协议的图像传感器等。
通过软件或硬件协议转换，与其他通信接口（如UART串口等）的设备进行通信。

当驱动开发者需要将I3C设备适配到OpenHarmony时，需要进行I3C驱动适配，下文将介绍如何进行I3C驱动适配。

接口说明

为了保证上层在调用I3C接口时能够正确的操作硬件，核心层在//drivers/hdf_core/framework/support/platform/include/i3c/i3c_core.h中定义了以下钩子函数。驱动适配者需要在适配层实现这些函数的具体功能，并与这些钩子函数挂接，从而完成接口层与核心层的交互。

I3cMethod定义：

struct I3cMethod {
    int32_t (*sendCccCmd)(struct I3cCntlr *cntlr, struct I3cCccCmd *ccc);
    int32_t (*transfer)(struct I3cCntlr *cntlr, struct I3cMsg *msgs, int16_t count);
    int32_t (*i2cTransfer)(struct I3cCntlr *cntlr, struct I3cMsg *msgs, int16_t count);
    int32_t (*setConfig)(struct I3cCntlr *cntlr, struct I3cConfig *config);
    int32_t (*getConfig)(struct I3cCntlr *cntlr, struct I3cConfig *config);
    int32_t (*requestIbi)(struct I3cDevice *dev);
    void (*freeIbi)(struct I3cDevice *dev);
};

开发步骤

I3C模块适配包含以下五个步骤：

实例化驱动入口
- 实例化HdfDriverEntry结构体成员。
- 调用HDF_INIT将HdfDriverEntry实例化对象注册到HDF框架中。
配置属性文件
- 在device_info.hcs文件中添加deviceNode描述。
- 【可选】添加i3c_config.hcs器件属性文件。
实例化I3C控制器对象
- 初始化I3cCntlr成员。
- 实例化I3cCntlr成员I3cMethod方法集合，其定义和成员函数说明见下文。
注册中断处理子程序

为控制器注册中断处理程序，实现设备热接入和IBI（带内中断）功能。
驱动调试

【可选】针对新增驱动程序，建议验证驱动基本功能，例如挂载后的测试用例是否成功，数据能否传输等。

开发实例

下方将以Hi3516DV300的虚拟驱动//drivers/hdf_core/framework/test/unittest/platform/virtual/i3c_virtual.c为示例，展示需要驱动适配者提供哪些内容来完整实现设备功能。

实例化驱动入口驱动入口必须为HdfDriverEntry（在//drivers/hdf_core/framework/include/core/hdf_device_desc.h中定义）类型的全局变量，且moduleName要和device_info.hcs中保持一致。HDF框架会将所有加载的驱动的HdfDriverEntry对象首地址汇总，形成一个类似数组的段地址空间，方便上层调用。

一般在加载驱动时HDF会先调用Bind函数，再调用Init函数加载该驱动。当Init调用异常时，HDF框架会调用Release释放驱动资源并退出。

I3C驱动入口参考：

说明：

I3C控制器会出现很多个控制器挂接的情况，因而在HDF框架中首先会为此类型的控制器创建一个管理器对象，并同时对外发布一个管理器服务来统一处理外部访问。这样，用户需要打开某个控制器时，会先获取到管理器服务，然后管理器服务根据用户指定参数查找到指定控制器。

I3C管理器服务的驱动由核心层实现，驱动适配者不需要关注这部分内容的实现，但在实现Init函数的时候需要调用核心层的I3cCntlrAdd函数，它会实现相应功能。
```
static struct HdfDriverEntry g_virtualI3cDriverEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .Init = VirtualI3cInit,
    .Release = VirtualI3cRelease,
    .moduleName = "virtual_i3c_driver",        // 【必要且与hcs文件中的名字匹配】
};
HDF_INIT(g_virtualI3cDriverEntry);             // 调用HDF_INIT将驱动入口注册到HDF框架中


// 核心层i3c_core.c管理器服务的驱动入口
struct HdfDriverEntry g_i3cManagerEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .Init     = I3cManagerInit,
    .Release  = I3cManagerRelease,
    .moduleName = "HDF_PLATFORM_I3C_MANAGER",  // 这与device_info.hcs文件中device0对应
};
HDF_INIT(g_i3cManagerEntry);
```
配置属性文件完成驱动入口注册之后，下一步请在//vendor/hisilicon/hispark_taurus/hdf_config/device_info/device_info.hcs文件中添加deviceNode信息，并在i3c_config.hcs中配置器件属性。deviceNode信息与驱动入口注册相关，器件属性值对于驱动适配者的驱动实现以及核心层I3cCntlr相关成员的默认值或限制范围有密切关系。

统一服务模式的特点是device_info.hcs文件中第一个设备节点必须为I3C管理器，其各项参数必须如表2设置：

表 2 device_info.hcs节点参数说明

从第二个节点开始配置具体I3C控制器信息，此节点并不表示某一路I3C控制器，而是代表一个资源性质设备，用于描述一类I3C控制器的信息。本例只有一个I3C控制器，如有多个控制器，则需要在device_info.hcs文件增加deviceNode信息，以及在i3c_config文件中增加对应的器件属性。

- device_info.hcs配置参考

    ```c
    root {
        device_i3c :: device {
            device0 :: deviceNode {
                policy = 0;
                priority = 52;
                permission = 0644;
                serviceName = "HDF_PLATFORM_I3C_MANAGER";
                moduleName = "HDF_PLATFORM_I3C_MANAGER";
            }
        }
        i3c_virtual :: deviceNode {
            policy = 0;                               // 等于0，不需要发布服务。
            priority = 56;                            // 驱动启动优先级。
            permission = 0644;                        // 驱动创建设备节点权限。
            moduleName = "virtual_i3c_driver";        // 【必要】用于指定驱动名称，需要与期望的驱动Entry中的moduleName一致。
            serviceName = "VIRTUAL_I3C_DRIVER";       // 【必要】驱动对外发布服务的名称，必须唯一。
            deviceMatchAttr = "virtual_i3c";          // 【必要】用于配置控制器私有数据，要与i3c_config.hcs中对应控制器保持一致。
        }                                             // 具体的控制器信息在i3c_config.hcs中。
    }
    ```

- i3c_config.hcs 配置参考

    ```c
    root {
        platform {
            i3c_config {
                match_attr = "virtual_i3c";  // 【必要】需要和device_info.hcs中的deviceMatchAttr值一致
                template i3c_controller {    // 模板公共参数，继承该模板的节点如果使用模板中的默认值，则节点字段可以缺省。
                    busId = 0;               // 【必要】i3c总线号
                    busMode = 0x0;           // 总线模式，0x0：纯净；0x1：混合高速；0x2：混合受限；0x3：混合低速。
                    regBasePhy = 0x120b0000; // 【必要】物理基地址
                    regSize = 0xd1;          // 【必要】寄存器位宽
                    IrqNum = 20;             // 【必要】中断号
                    i3cMaxRate = 12900000;   // 【可选】i3c模式最大时钟速率
                    i3cRate = 12500000;      // 【可选】i3c模式时钟速率
                    i2cFmRate = 1000000;     // 【可选】i2c FM模式时钟速率
                    i2cFmPlusRate = 400000;  // 【可选】i2c FM+模式时钟速率
                }
                controller_0 :: i3c_controller {
                    busId = 18;
                    IrqNum = 20;
                }
            }
        }
    }
    ```

    需要注意的是，新增i3c_config.hcs配置文件后，必须在对应的hdf.hcs文件中包含i3c_config.hcs所在路径信息，否则配置文件无法生效。

实例化I3C控制器对象

配置属性文件完成后，要以核心层I3cCntlr对象的初始化为核心，包括驱动适配者自定义结构体（传递参数和数据），实例化I3cCntlr成员I3cMethod（让用户可以通过接口来调用驱动底层函数）。

此步骤需要通过实现HdfDriverEntry成员函数（Bind，Init，Release）来完成。

I3cCntlr成员钩子函数结构体I3cMethod的实例化，I3cLockMethod钩子函数结构体本例未实现，若要实例化，可参考I2C驱动开发。

自定义结构体参考

说明：

从驱动的角度看，自定义结构体是参数和数据的载体，而且i3c_config.hcs文件中的数值会被HDF读入并通过DeviceResourceIface来初始化结构体成员，其中一些重要数值也会传递给核心层I3cCntlr对象，例如设备号、总线号等。

struct VirtualI3cCntlr {
    struct I3cCntlr cntlr;           // 【必要】是核心层控制对象，具体描述见下面。
    volatile unsigned char *regBase; // 【必要】寄存器基地址
    uint32_t regBasePhy;             // 【必要】寄存器物理基地址
    uint32_t regSize;                // 【必要】寄存器位宽
    uint16_t busId;                  // 【必要】设备号
    uint16_t busMode;
    uint16_t IrqNum;
    uint32_t i3cMaxRate;
    uint32_t i3cRate;
    uint32_t i2cFmRate;
    uint32_t i2cFmPlusRate;
};


// I3cCntlr是核心层控制器结构体，其中的成员在Init函数中被赋值。
struct I3cCntlr {
    OsalSpinlock lock;
    void *owner;
    int16_t busId;
    struct I3cConfig config;
    uint16_t addrSlot[(I3C_ADDR_MAX + 1) / ADDRS_PER_UINT16];
    struct I3cIbiInfo *ibiSlot[I3C_IBI_MAX];
    const struct I3cMethod *ops;
    const struct I3cLockMethod *lockOps;
    void *priv;
};

Init函数开发参考

入参：

HdfDeviceObject是整个驱动对外提供的接口参数，具备HCS配置文件的信息。

返回值：

HDF_STATUS相关状态（表3为部分展示，如需使用其他状态，可参考//drivers/hdf_core/interfaces/inner_api/utils/hdf_base.h中HDF_STATUS定义）。

表 3 HDF_STATUS相关状态说明

**函数说明：**


初始化自定义结构体对象，初始化I3cCntlr成员，调用核心层I3cCntlrAdd函数。


```c
static int32_t VirtualI3cParseAndInit(struct HdfDeviceObject *device, const struct DeviceResourceNode *node)
{
    int32_t ret;
    struct VirtualI3cCntlr *virtual = NULL;                                // 【必要】自定义结构体对象
    (void)device;


    virtual = (struct VirtualI3cCntlr *)OsalMemCalloc(sizeof(*virtual));   // 【必要】内存分配
    if (virtual == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: Malloc virtual fail!", __func__);
        return HDF_ERR_MALLOC_FAIL;
    }


    ret = VirtualI3cReadDrs(virtual, node);                                // 【必要】将i3c_config文件的默认值填充到结构体中，函数定义见下方
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: Read drs fail! ret:%d", __func__, ret);
        goto __ERR__;
    }
    ......
    virtual->regBase = OsalIoRemap(virtual->regBasePhy, virtual->regSize); // 【必要】地址映射
    ret = OsalRegisterIrq(hi35xx->softIrqNum, OSAL_IRQF_TRIGGER_NONE, I3cIbiHandle, "I3C", virtual); //【必要】注册中断程序
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: register irq failed!", __func__);
        return ret;
    }
    ......
    VirtualI3cCntlrInit(virtual);              // 【必要】I3C设备的初始化
    virtual->cntlr.priv = (void *)node;        // 【必要】存储设备属性
    virtual->cntlr.busId = virtual->busId;     // 【必要】初始化I3cCntlr成员
    virtual->cntlr.ops = &g_method;            // 【必要】I3cMethod的实例化对象的挂载
    (void)OsalSpinInit(&virtual->spin);
    ret = I3cCntlrAdd(&virtual->cntlr);        // 【必要且重要】调用此函数将控制器添加至核心，返回成功信号后驱动才完全接入平台核心层。
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: add i3c controller failed! ret = %d", __func__, ret);
        (void)OsalSpinDestroy(&virtual->spin);
        goto __ERR__;
    }


    return HDF_SUCCESS;
__ERR__:                                       // 若控制器添加失败，需要执行去初始化相关函数。
    if (virtual != NULL) {
        OsalMemFree(virtual);
        virtual = NULL;
    }


    return ret;
}


static int32_t VirtualI3cInit(struct HdfDeviceObject *device)
{
    int32_t ret;
    const struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;


    if (device == NULL||device->property == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: device or property is NULL", __func__);
        return HDF_ERR_INVALID_OBJECT;
    }


    DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
        ret = VirtualI3cParseAndInit(device, childNode);
        if (ret != HDF_SUCCESS) {
            break;
        }
    }


    return ret;
}


static int32_t VirtualI3cReadDrs(struct VirtualI3cCntlr *virtual, const struct DeviceResourceNode *node)
{
    struct DeviceResourceIface *drsOps = NULL;


    // 获取drsOps方法
    drsOps = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
    if (drsOps == NULL||drsOps->GetUint32 == NULL||drsOps->GetUint16 == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: Invalid drs ops fail!", __func__);
        return HDF_FAILURE;
    }
    // 将配置参数依次读出，并填充至结构体中
    if (drsOps->GetUint16(node, "busId", &virtual->busId, 0) != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: Read busId fail!", __func__);
        return HDF_ERR_IO;
    }
    if (drsOps->GetUint16(node, "busMode", &virtual->busMode, 0) != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: Read busMode fail!", __func__);
        return HDF_ERR_IO;
    }
    if (drsOps->GetUint16(node, "IrqNum", &virtual->IrqNum, 0) != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: Read IrqNum fail!", __func__);
        return HDF_ERR_IO;
    }
    ......
    return HDF_SUCCESS;
}
```

Release函数开发参考

入参：

HdfDeviceObject是整个驱动对外提供的接口参数，具备HCS配置文件的信息。

返回值：

无。

函数说明：

释放内存和删除控制器，该函数需要在驱动入口结构体中赋值给Release接口，当HDF框架调用Init函数初始化驱动失败时，可以调用Release释放驱动资源。

说明：

所有强制转换获取相应对象的操作前提是在Init函数中具备对应赋值的操作。

static void VirtualI3cRemoveByNode(const struct DeviceResourceNode *node)
{
    int32_t ret;
    int16_t busId;
    struct I3cCntlr *cntlr = NULL;
    struct VirtualI3cCntlr *virtual = NULL;
    struct DeviceResourceIface *drsOps = NULL;


    drsOps = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
    if (drsOps == NULL||drsOps->GetUint32 == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: invalid drs ops fail!", __func__);
        return;
    }


    ret = drsOps->GetUint16(node, "busId", (uint16_t *)&busId, 0);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("%s: read busId fail!", __func__);
        return;
    }
    ......
    // 可以调用I3cCntlrGet函数通过设备的cntlrNum获取I3cCntlr对象，以及调用I3cCntlrRemove函数来释放I3cCntlr对象的内容。
    cntlr = I3cCntlrGet(busId);
    if (cntlr != NULL && cntlr->priv == node) {
        I3cCntlrPut(cntlr);
        I3cCntlrRemove(cntlr);                     // 【必要】主要是从管理器驱动那边移除I3cCntlr对象
        virtual = (struct VirtualI3cCntlr *)cntlr; // 【必要】通过强制转换获取自定义的对象并进行release操作
        (void)OsalSpinDestroy(&virtual->spin);
        OsalMemFree(virtual);
    }
    return;
}


static void VirtualI3cRelease(struct HdfDeviceObject *device)
{
    const struct DeviceResourceNode *childNode = NULL;


    HDF_LOGI("%s: enter", __func__);


    if (device == NULL||device->property == NULL) {
        HDF_LOGE("%s: device or property is NULL", __func__);
        return;
    }
    ......
    // 遍历、解析i3c_config.hcs中的所有配置节点，并分别进行release操作
    DEV_RES_NODE_FOR_EACH_CHILD_NODE(device->property, childNode) {
        VirtualI3cRemoveByNode(childNode); //函数定义如上
    }
}

注册中断处理子程序

在中断处理程序中通过判断中断产生的地址，实现热接入、IBI等操作。

static int32_t VirtualI3cReservedAddrWorker(struct VirtualI3cCntlr *virtual, uint16_t addr)
{
    (void)virtual;
    switch (addr) {
        case I3C_HOT_JOIN_ADDR:
             VirtualI3cHotJoin(virtual);
            break;
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H3E:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H5E:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H6E:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H76:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H7A:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H7C:
        case I3C_RESERVED_ADDR_7H7F:
        // 广播地址单比特错误的所有情形
        HDF_LOGW("%s: broadcast Address single bit error!", __func__);
            break;
        default:
            HDF_LOGD("%s: Reserved address which is not supported!", __func__);
            break;
    }


    return HDF_SUCCESS;
}


static int32_t I3cIbiHandle(uint32_t irq, void *data)
{
    struct VirtualI3cCntlr *virtual = NULL;
    struct I3cDevice *device = NULL;
    uint16_t ibiAddr;
    char *testStr = "Hello I3C!";


    (void)irq;
    if (data == NULL) {
        HDF_LOGW("%s: data is NULL!", __func__);
        return HDF_ERR_INVALID_PARAM;
    }
    virtual = (struct VirtualI3cCntlr *)data;
    // 【必要】获取产生中断的地址，使用CHECK_RESERVED_ADDR宏判断该地址是否为I3C保留地址。
    ibiAddr = VirtualI3cGetIbiAddr();
    if (CHECK_RESERVED_ADDR(ibiAddr) == I3C_ADDR_RESERVED) {
        HDF_LOGD("%s: Calling VirtualI3cResAddrWorker...", __func__);
        return VirtualI3cReservedAddrWorker(virtual, ibiAddr);
    } else {
        HDF_LOGD("%s: Calling I3cCntlrIbiCallback...", __func__);
        device = GetDeviceByAddr(&virtual->cntlr, ibiAddr);
        if (device == NULL) {
            HDF_LOGE("func:%s device is NULL!",__func__);
            return HDF_ERR_MALLOC_FAIL;
        }
        if (device->ibi->payload > VIRTUAL_I3C_TEST_STR_LEN) {
            // 将字符串"Hello I3C!"放入IBI缓冲区内
            *device->ibi->data = *testStr;
        }
        // 根据产生IBI的I3C设备调用IBI回调函数
        return I3cCntlrIbiCallback(device);
    }


    return HDF_SUCCESS;
}