pca9548芯片系统框图如下图1.1所示：

图1.1

    如上图所示，通过配置pca9548的寄存器，即可切换开关完成i2c switch。在子总线下设备地址没有冲突的情况下，可以接通多个子总线，如同时接通子总线0和7。

    pca9548内核驱动支持自动切换i2c switch，前提是配置好设备树。设备树的配置示例如下图1.2所示：

图1.2

    通过上图1.2所示配置后，pca9548的内核驱动程序会注册虚拟的i2c总线16-23，这样一来，上层可使用这些虚拟总线来读取所挂i2c设备的信息。比如，虚拟总线16对应图1.1中子总线0，当上层使用虚拟总线16读时，内核驱动将自动接通图1.1子总线0对应的开关，并将其他开关关闭，也就是说，内核驱动会保证只有一个开关接通。

    通过这种方式，我们可以将实际物理总线3，扩展为8条虚拟总线16-23，虚拟总线之间互不干扰，可以解决相同i2c设备地址相同问题。

以某主板为例（BMC为ARM芯片），其i2c部分拓扑如下图2.1所示。

图2.1

如上图2.1所示，通过配置设备树可将实际物理总线3（BMC为ARM芯片），扩展成24条虚拟总线16-39。现在分析一下多个pca9548并联之后会存在什么问题：

（1）依次读取16-39虚拟总线上0x9e地址对应设备上数据；

（2）在读16-23虚拟总线上0x9e设备时，pca9548内核驱动会依次打开对应通道开关并关闭其他通道开关（图1.1），数据读取正常；

（3）当读取完23号虚拟总线上0x9e设备数据后，便转而去读取24号虚拟总线上0x9e设备，内核驱动会打开0xE2地址对应pca9548的子总线0开关，但并不会去关闭0xE0地址对应pca9548的子总线7开关，此时，图2.1上红线1和红线2都接通，因此设备地址0x9e冲突了。

    内核驱动不知道pca9548之间是并联关系，因此不会去关闭23号虚拟总线对应的开关，这便是问题所在。

    既然不能由内核自动切换i2c switch通路，那就只能手动来切i2c switch通路了，以往insyde BMC就是使用手动切换方式。

    如果手动切i2c switch通道的代码，要实现代码通用，难点在于：如何处理i2c switch芯片之间并联关系？

    容易想到的方法是：用一张表描述pca9548芯片之间并联关系，由代码遍历这张表，从而知道读取某个i2c switch子总线前，是否需要关闭其他i2c switch芯片通道。这种方式需要考虑较多，比如第一层i2c switch之间并联可能个数、i2c switch的子总线下面是否有i2c switch并联、i2c switch芯片不同如何处理等。

    既然i2c switch芯片并联关系较难梳理清楚，那我们就通过串联方式去处理i2c设备地址冲突问题。一条虚拟i2c总线只有唯一一条通路，比如图2.1虚拟总线32上再接一个地址为0xE6的pca9848，又扩展出8条虚拟总线40-47，但47号虚拟总线对应的i2c switch通路是唯一的，即需要打开0xE4 pca9548子总线7对应开关，同时打开0xE6 pca9548子总线7对应开关，这样才能读取虚拟总线47上的i2c设备，如果在读取完i2c设备数据之后，又反向把通路上i2c switch芯片上开关关闭呢？

这样一来，每次读某个虚拟总线上i2c设备时，先切换i2c switch通路，然后读取i2c设备数据，最后又关闭i2c switch通路。

    首先需要定义一个通用结构，用来描述i2c switch信息，结构如下图3.1所示。

图 3.1

        u8HubAddr：i2c switch芯片的8位i2c地址；

        u8CloseFlag：此i2c switch是否需要执行关闭操作（有的i2c switch无法关闭）；

        au8OpenReg：打开i2c子总线所需写的寄存器；

        au8CloseReg：关闭i2c子总线所需写的寄存器；

        u8RegSize：寄存器大小；

        au8OpenData：打开i2c子总线所写寄存器的数据；

        au8CloseData：关闭i2c子总线所写寄存器的数据；

        u8DataSize：数据大小。

i2c switch函数处理流程：

图3.2

i2c switch函数部分代码实现如下图3.3所示：

图3.3

    如图3.3所示，将i2c switch信息填充到发送Buf中，再通过i2c读写函数将数据写到到i2c switch寄存器中，进而完成通道切换，值得注意的是，当某一层i2c switch切换失败时，必须把之前所打开的i2c switch通道关闭。

    i2c close函数处理流程图：

图3.4

    I2c close函数部分代码实现如下图所示：

图 3.5

    如图3.5所示，只有当前i2c switch层设置了关闭标志，才会去执行关闭动作。

    注意的是，真正手动切换i2c switch时，需要在切换前加锁，在对i2c设备读写完数据后，关闭i2c switch通路并解锁，以防止线程本次读写完成前，被其他线程切换i2c switch通道。

    既然手动切换i2c switch方式可以在读完数据后关闭通道，那自动切换i2c switch方式是否也可以？

以pca954x驱动为例，内核版本为5.2.0，驱动代码简化后如下图4.1所示：

图4.1

    如上图所示，省略其他无关代码后，整个probe过程分为6个步骤：

        （1）检查当前i2c总线是否支持SMBUS_BYTE读写操作；

        （2）为pca954x分配私有数据结构，并填充pca954x_select_chan函数和pca954x_deselect_mux函数；

        （3）获取当前pca954x具体芯片的信息，比如pca9548信息内含多少个通道、是否支持中断、是否有使能引脚等；

        （4）尝试写一个数据到i2c switch中，以便确定i2c switch真实存在；

        （5）设置i2c switch芯片的空闲状态，在pca954x_deselect_mux函数中使用；

        （6）为每个i2c switch通道，也就是子总线注册虚拟的总线（adapter），虚拟总线使用的通信方法继承于上一级总线。

以pca9548芯片为例，多级pca9548物理与软件对应关系简图如下图4.2所示。

图4.2

    如上图4.2所示，虚拟总线40的传输函数，其实就是在虚拟总线16的传输函数前后增加了select和deselect函数，而虚拟总线16的传输同样是在物理总线3的传输函数前后增加了select和deselect函数，最终还是由物理总线3的传输函数实现对i2c设备读写数据。

    select函数就是pca954x_select_chan，其代码实现如下：

图4.3

    Select函数用于在真正的i2c读写数据前，切换pca954x芯片的通道（仅通道不同时切），注意，select操作其实还是调用上一级i2c总线的传输函数（上一级总线可能还是虚拟总线）。

    Deselect函数就是pca954x_deselect_mux，其代码实现如下：

图4.4

    上图中idle_state默认情况下如图4.1所示为MUX_IDLE_AS_IS（-1），即保持当前通道状态，也就是说，执行pca954x_deselect_mux函数将不做任何改变，原来打开的通道依然保持，这样一来，若pca9548并联就会出现i2c地址冲突问题。

当满足idle_state == MUX_IDLE_DISCONNECT条件时，则执行pca954x_deselect_mux函数时，将会关闭当前pca954x芯片所有通道，下面以图4.5为例分析一下具体读写过程：

图4.5

    初始状态0xe0 pca9548通道0和0xe6 pca9548通道0都关闭。当对i2c虚拟总线40上的0x9e设备读写时，将调用40：i2c_transfer函数，该函数分三个步骤：

1.调用select片选函数，而片选的操作本质上就是调用上一级i2c传输函数（16：i2c_transfer）写地址为0xe6的pca9548芯片寄存器（箭头1）。16：i2c_transfer函数内部同样也分三个步骤：

（1）select调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器打开其通道0（箭头2）；

（2）再调用3：i2c_transfer函数写0xe6 pca9548寄存器打开其通道0（箭头3）；

（3）deselect调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器关闭其通道0（箭头4）。

此时，数据未读写，0xe0 pca9548通道0关闭，0xe6 pca9548通道0打开。

    2.调用传输函数读写0x9e设备，实际上是调用上一级i2c总线传输函数（箭头5），即16：i2c_transfer函数，内部又是三次调用：

（1）select调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器打开其通道0（箭头6）；

（2）再调用3：i2c_transfer函数读写0x9e设备数据（箭头7）；

（3）deselect调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器关闭其通道0（箭头8）。

此时，数据已读写，0xe0 pca9548通道0关闭，0xe6 pca9548通道0打开。

    3.调用deselect函数，关闭0xe6 pca9548通道0，同样还是调用上一级i2c总线传输函数（箭头9），即16：i2c_transfer函数，内部又是三次调用：

（1）select调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器打开其通道0（箭头10）；

（2）再调用3：i2c_transfer函数写0xe6 pca9548寄存器关闭其通道0（箭头11）；

（3）deselect调用3：i2c_transfer函数写0xe0 pca9548寄存器关闭其通道0（箭头12）。

此时，数据已读写，0xe0 pca9548通道0关闭，0xe6 pca9548通道0关闭。

    由上分析可知道，当满足idle_state == MUX_IDLE_DISCONNECT条件时，完成一次i2c设备读写操作后，路径上的i2c switch通道都关闭，因此不会出现i2c设备地址冲突问题。

    由图4.1中第5步可配置idle_state == MUX_IDLE_DISCONNECT，前提是在设备树中配置“i2c-mux-idle-disconnect”属性。of_property_read_bool函数会去读pca954x设备节点中的“i2c-mux-idle-disconnect”属性，只要其存在就返回TRUE（不需要赋值），配置之后如下图4.6所示。

图 4.6

    通过上图所示配置后即可解决第二小节描述问题，并且设备树可灵活配置只让有并联关系pca954x获得“i2c-mux-idle-disconnect”属性（如图4.7红底pca9548），从而让有并联关系的pca954x保持常态关闭，而串联关系的pca954x保持上一次通道状态。

图4.7

自动切换i2c switch优劣势：

优势：

    （1）内核驱动管理切换动作：上层可将扩展出来的虚拟i2c总线当物理i2c总线使用，完全不需要关心i2c switch是如何切换的；

    （2）不用考虑竞争关系：pca954x内核驱动带有锁机制；

    （3）执行效率高：由内核驱动完成切，不需要用户态与内核态频繁切换。

    劣势：

    （1）仅支持pca954x芯片：如混用其他i2c switch芯片，将无法配置；

    （2）不够灵活，部分情况无法使用：pca954x芯片需要通过设备树提前配置好，并需要在内核启动阶段probe成功，比如某个内含pca954x芯片扩展卡，在主机端上电情况下才会上电，那BMC启动时将probe失败，又比如一个PCIE卡槽既可以插扩展卡，又可以直插PCIE卡时，也无法配置设备树。

手动切换i2c switch优劣势：

    优势：

    （1）可以i2c switch芯片混用；

    （2）代码自己实现，可灵活适配各种场景；

    劣势：

    （1）需考虑竞争关系：需要在代码中实现锁机制；

    （2）执行效率比自动切换方式低：切i2c switch通道、读写i2c设备、关闭i2c switch通道，均由上层下发，因此执行效率不如自动切换方式；

    （3）代码复杂度增加。

    实际选择哪种方案需根据具体应用场景综合考虑。

    Pca9548通过如下配置，即可扩展i2c总线，并且保证i2c switch常态关闭：

Pca9548下再连pca9548的配置示例如下：