I2C协议及驱动开发框架

简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由Philips公司开发的一种两线式串行总线，用于连接微处理器及其外围设备。以简单、高效特点著名，占用PCB空间很小，芯片引脚数量少，设计成本低。

总线即意味着可连接多个设备。控制数据传输和时钟频率的设备称为主控，其余为从设备。I2C设备支持多主控模式，但任意时刻只能有一个主控。

组成I2C总线的两个信号线分别为SCL（时钟）和SDA（数据线）。为避免总线信号混乱，从硬件设计角度出发，总线上会外接上拉电阻，默认使SCL和SDA均保持高电平，同时要求各设备连接到总线的输出端必须为OC门（CMOS开漏输出或TTL集电极开路输出），实现“线与”逻辑，即任意设备输出低电平时，都会拉低总线电平。

 

I2C设备上的串行数据线SDA的接口电路是双向的，输出电路用于向总线上发数据，输入电路用于接收总线上的数据。同样的，串行时钟线SCL也是双向的，对于主机设备而言，通过SCL输出电路发送时钟信号，并检测总线上的SCL电平以决定什么时候发送下一个时钟脉冲；作为从机设备，需要按总线上SCL的信号发送或者接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。简而言之，I2C设备的通信频率是主机的SCL脉冲信号决定的，从机需要按照此频率来接收和发送SDA数据

那么，数据到底如何传输呢？

时序图

和串口协议一样，I2C也有自己的起始位与停止位。当SCL稳定在高电平时，SDA由高到低的变化将产生一个开始位，而由低到高的变化则产 生一个停止位，均由主设备产生。

 

I2C设备是以字节为单位进行传输的。当SCL脉冲电平恒为高时，SDA线电平即为传输的有效数据（高电平采样）。每个字节传完后，主设备会放开SDA线，相应的从设备需要拉低SDA线电平，表示收到数据，主设备会检测SDA线电平，以判断传输是否在正常进行（缺确认完成ACK）。

 

以数据读写为例：在正式开始传输数据之前，I2C主设备需要确定想要和哪个从设备通信（从设备编号），以及是去读数据还是写数据（读写标志），读/写到从设备哪里（寄存器地址），这些信息都需要在开始位后首先确定。

 

首字节为7位设备地址+1位读写标志，第二字节的8位为寄存器的地址。与写数据不同的是，读数据需要先发送一个写数据帧，从设备确认应答后，需要重新开始一次数据传输，这次就无需重新指定寄存器的地址了，因为寄存器地址已被I2C控制器保存（实际上是一个指针）。

i2c速率

i2c总线在不同模式下具有不同的传输速率上限：

• 标准模式：最高100Kb/s
• 快速模式：最高400Kb/s
• 高速模式：最高3.4Mb/s
• 超快速模式：部分芯片支持，速率可达5Mb/s（需要硬件支持）

驱动程序

I2C驱动体系结构

 

I2C系统的体系结构如图所示，可按5个层级划分，介绍如下：

• 应用层：用户通过对open，write，read等系统调用对设备进行操作；
• 设备驱动层：连接到I2C总线上的一些外围设备的驱动程序，如传感器、EEPROM等。设备驱动层包含i2c_driver和i2c_client数据结构，需要根据设备实现其中的成员函数。i2c_driver对应一套驱动方法，i2c_client对应于真实的物理设备，每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述
• i2c核心层：这部分由Linux内核源码提供，包括i2c总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，i2c通信方法。i2c_transfer函数是在这里实现的。
• i2c总线驱动层：由芯片的原厂程序员负责编写，也可以称为控制器驱动层。包含Algorithm、i2c_adapter核心结构体，实现与硬件相关的代码。Algorithm->master_xfer()会被核心层的i2c_transfer调用，完成i2c信号的传输。在这里控制i2c适配器以主控的方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写，产生ACK等。i2c_adapter对应物理上的一个适配器，而i2c_algorithm对应一套通信方法
• 硬件层：包括集成在CPU内部的i2c适配器以及挂载在适配器上的各类i2c设备。

其中，i2c驱动主要关注i2c核心、i2c总线、i2c设备驱动。

 

i2c驱动的软件框架与基本的注册流程如上图，说明如下：

• 最右边部分为i2c设备驱动，包含i2c_driver和i2c_client两个核心结构体，在设备树中将某个设备挂在到某个i2c总线节点下，of_i2c_rigister_devices(adap)将该设备节点转换为i2c_client，添加到总线的设备列表中；i2c_driver在驱动加载时通过i2c_register_drive添加到总线的驱动列表中，通过i2c_device_match函数匹配compitible属性，若匹配成功，则执行i2c_driver下的probe函数，在这里实现对该i2c设备的初始化，以及open、write等操作方式，以供用户空间调用。
• 最左边为i2c控制器驱动，其中设备树节点中的i2c控制器节点被转换为platform_device，添加到platform_bus_type的虚拟总线设备列表中，在驱动加载时，相应的platform_driver也会被加载到虚拟总线的驱动列表中，然后执行driver->i2x_imx_probe函数。
• 中间是i2x_imx_probe函数里面所做的工作，首先是将构建一个i2c_adapter，然后调用了i2c_register_adapter函数，将该i2c_adapter注册到i2c_bus_type的总线上，最后调用of_i2c_register_devices(adap)将挂载在当前i2c总线上的设备添加到i2c_bus_type类型的设备列表中，查找有无匹配的驱动被注册，与设备驱动的注册流程完成闭环。

---

面对如此复杂的Linux i2c子系统，驱动工程师要完成哪些工作？

一方面，适配器驱动可能是Linux内核本身还不包含的；另一方面，挂接在适配器上的具体设备驱动可能也是Linux内核还不包含的。因此，工程师要实现的主要工作如下。

• 提供I2C适配器的硬件驱动，探测、初始化I2C适配器（如申请I2C的I/O地址和中断号）、 驱动CPU控制的I2C适配器从硬件上产生各种信号以及处理I2C中断等。
• 提供I2C 适配器的 algorithm，用具体适配器的 xxx_xfer()函数填充 i2c_algorithm 的 master_xfer 指针，并把i2c_algorithm 指针赋值给 i2c_adapter 的 algo 指针。
• 实现I2C设备驱动中的i2c_driver接口，用具体设备yyy的yyy_probe()、yyy_remove()、 yyy_suspend()、yyy_resume()函数指针和 i2c_device_id 设备 ID 表赋值给 i2c_driver 的 probe、remove、suspend、resume 和 id_table 指针。
• 实现I2C设备所对应类型的具体驱动，i2c_driver只是实现设备与总线的挂接，而挂接在 总线上的设备则是千差万别。例如，如果是字符设备，就实现文件操作接口，即实现具体设备yyy的yyy_read()、yyy_write()和 yyy_ioctl()函数等；如果是声卡，就实现 ALSA 驱动。

I2C-tools

i2ctool是一个非常具有实用性的工具，一般系统内都有集成，对于调试非常方便

使用过程中会用到以下参数：

-y：自动选择yes，跳过交互

-r：快速读指令

-q：快速写指令

-f：强制使用此设备地址

• i2cdetect

i2cdetect -l 探测所有的i2c总线

 

i2cdetect -y -r <id> 检测某个总线上的i2c设备，注意：这里检测出的是7位地址，不包括读写位

 

表示0x1e处有设备，若显示UU，则表示该设备已被驱动占用

i2cdetect -F <id> 查看总线设备支持的功能

 

• i2cdump

i2cdump -f -y <id> <device addr> 打印i2c设备所有寄存器的值

 

• i2cget

i2cget -f -y <id> <device addr> <register addr> 读取某个设备某个寄存器的值

如：i2cget -f -y 1 0x62 0x00 意为读取1号总线上0x62处设备的0x00寄存器的值

• i2cset

i2cset -f -y <id> <device addr> <register addr> <value> 写入某个设备某个寄存器的值

• i2ctransfer

读取/写入多字节寄存器地址，是i2cget和i2cset的升级版，语法如下：

i2ctransfer [-f] [-y] [-v] [-a] <bus id> w-n@<device addr> data-0 data-1 ... data-n r-num

i2ctransfer [-f] [-y] [-v] [-a] <bus id> w-n@<device addr> data-0 data-1 ... data-n

参数说明：

-a：允许使用0x00~0x07和0x78~0x7f地址

w-n：写n个字节

data-0，data-1...，data-n：寄存器地址（读） / 寄存器地址和写的数据（写）

r-num：读n个字节

举例：

• i2ctransfer -y -f 1 w4@0x1a 0x0 0x0 0xfe 0xf2 把0xfe和0xf2写入到0x1a芯片的0x0 0x0寄存器中。w4表示要写4个字节，即寄存器地址0x0 0x0和数据0xfe 0xf2。
• i2ctransfer -y -f 1 w2@0x1a 0x0 0xf r16 从0x0 0xf寄存器开始，向后读16个字节。w2表示要写2个字节，即寄存器地址0x0 0xf