代码收藏家技术教程 2024-08-31

I2C子系统详解

I2C子系统

I2C协议

串行、半双工总线，主要用于低速、近距离的芯片之间的通信

I2C信号

**开始信号（S）：**SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变

**结束信号（P）：**SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变

**响应信号（ACK）：**接收器在接收到8位数据后，在第九个时钟周期拉低SDA

SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化

数据格式

写操作

白色：主→从灰色：从→主

方向：读/写（0：写 1读）

读操作

具体实现

芯片可以通过SDA线来传输数据，也可以通过它读取数据，那么主设备与从设备肯定不能同时控制SDA线

在9个时钟里（数据+回应）：

前8个时钟由主设备发送数据的话，第9个时钟就由从设备发送数据
前8个时钟由从设备发送数据的话，第9个时钟就由主设备发送数据

如何才能做到互不影响？

两端使用三极管来实现，如下图所示

A驱动cmos管，接地，SDA输出低电平

A、B同时不驱动，由于上拉电阻的存在，SDA输出高电平

只要有一方驱动三极管，那么SDA都会输出低电平

SMBus协议

IIC (二) – SMBus协议和基础知识介绍-CSDN博客

SMBus：系统管理总线

SMBus是基于I2C协议的，是I2C协议的子集，但是相较于I2C协议要求更加的严格

例如：（重复发送S信号）

读取EEPROM时，涉及两个操作：

把存储地址发送给设备
读数据

这两步之间的衔接原本需要发送一个P信号停止，再发送一个S信号重新开始

而SMBus对此进行了改进：两步之间的衔接可以直接发送S信号

除此之外，

对于I2C协议，它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义

对于SMBus协议，它定义了几种数据格式

I2C子系统的框架

软件框架

应用程序可以通过自己编写的设备驱动访问I2C控制器，从而访问I2C设备，也可以通过内核自带的i2c-dev,c驱动程序访问I2C控制器（I2C_Tools），从而访问I2C设备

设备驱动框架

**I2C适配层：**设备树的I2C控制器节点会被转换为platform_device结构体，与I2C控制器驱动进行匹配，若匹配成功则调用控制器驱动的probe函数，对I2C控制器进行初始化，生成i2c_adapter结构体，再调用i2c_add_adapter，将其添加到I2C控制器链表中

**I2C总线核心层：**遍历adapter对象的子节点并生成i2c_client对象，将i2c_client对象挂载到adapter的client链表中，如果有i2c_driver注册，内核会遍历adapter链表中每一项下的client链表进行匹配，若匹配成功则调用i2c_driver的probe函数，并返回client对象

**I2C从机设备驱动层：**定义驱动程序并注册

要编写设备驱动程序：我们需要做的仅仅只是定义并注册驱动程序

重要的结构体

I2C总线

struct bus_type i2c_bus_type = {
	.name		= "i2c",
	.match		= i2c_device_match,
	.probe		= i2c_device_probe,
	.remove		= i2c_device_remove,
	.shutdown	= i2c_device_shutdown,
	.pm		= &i2c_device_pm_ops,
};

i2c_device_match：I2C设备与I2C驱动是否匹配

i2c_device_probe：如果匹配则调用，进而调用I2C驱动的probe函数

I2C驱动

struct i2c_driver {
	int (*probe)(struct i2c_client *, const struct i2c_device_id *); //probe函数
	struct device_driver driver;                                 //表明这是一个驱动
	const struct i2c_device_id *id_table;                        //要匹配的从设备信息(名称)
	int (*detect)(struct i2c_client *, struct i2c_board_info *); //设备探测函数
	const unsigned short *address_list;                          //设备地址
	struct list_head clients;                                    //设备链表
};

对应I2C驱动程序

I2C设备

struct i2c_client {
	unsigned short addr;         //设备地址
	char name[I2C_NAME_SIZE];    //设备名称
	struct i2c_adapter *adapter; //I2C控制器
	struct i2c_driver *driver;   //设备对应的驱动
	struct device dev;           //表明这是一个设备
	int irq;                     //中断号
	struct list_head detected;   //节点
};

对应I2C设备

adapter是这个设备所属的I2C控制器结构体

I2C控制器

通过I2C控制器，I2C驱动可以与I2C设备进行通信

struct i2c_adapter {
	unsigned int id;                  //设备器的编号
	const struct i2c_algorithm *algo; //算法，传输函数
	struct device dev;                //表明这是一个设备
	...
	int nr;                           //哪一条I2C总线
	...
};

数据

在上面的i2c_algorithm结构体中可以看到要传输的数据被称为：i2c_msg

i2c_msg中的flags用来表示传输方向：bit 0等于I2C_M_RD表示读，bit 0等于0表示写

举例：设备地址为0x50的EEPROM，要读取它里面存储地址为0x10的一个字节，应该构造几个i2c_msg？

要构造2个i2c_msg

第一个i2c_msg表示写操作，把要访问的存储地址0x10发给设备

第二个i2c_msg表示读操作

u8 data_addr = 0x10;
i8 data;
struct i2c_msg msgs[2];

msgs[0].addr   = 0x50;
msgs[0].flags  = 0;             
msgs[0].len    = 1;
msgs[0].buf    = &data_addr;

msgs[1].addr   = 0x50;
msgs[1].flags  = I2C_M_RD;
msgs[1].len    = 1;
msgs[1].buf    = &data;

内核里的传输函数：

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);
// num：几个i2c_msg

I2C-Tools

对于I2C设备，内核提供了驱动程序drivers/i2c/i2c-dev.c，通过它可以直接使用下面的I2C控制器驱动程序来访问I2C设备

使用一句话概括I2C传输：APP通过I2C Controller与I2C Device传输数据

所以使用I2C-Tolls时也需要指定：

哪个I2C控制器(或称为I2C BUS、I2C Adapter)

哪个I2C设备(设备地址)

数据：读还是写、数据本身

I2C-Tools访问I2C设备的两种方式

怎么指定I2C控制器？

i2c-dev.c提供为每个I2C控制器(I2C Bus、I2C Adapter)都生成一个设备节点：/dev/i2c-0、/dev/i2c-1等待

open某个/dev/i2c-X节点，就是去访问该I2C控制器下的设备

怎么指定I2C设备？

通过ioctl指定I2C设备的地址

ioctl(file, I2C_SLAVE, address)

如果该设备已经有了对应的设备驱动程序，则返回失败

ioctl(file, I2C_SLAVE_FORCE, address)

如果该设备已经有了对应的设备驱动程序

但是还是想通过i2c-dev驱动来访问它

则使用这个ioctl来指定I2C设备地址

怎么传输数据？

两种方式

一般的I2C方式：ioctl(file, I2C_RDWR, &rdwr)

SMBus方式：ioctl(file, I2C_SMBUS, &args)

I2C方式：i2ctransfer.c

SMBus方式

终端直接控制

i2cdetect（检测I2C器件工具）：

i2cdetect 0 ：确定I2C0这条总线上有多少个I2C设备（UU代表这个设备已经存在驱动程序，其他值代表着设备地址）

i2cdetect -y：查询这个板子上有多少条I2C总线

i2cdump（查看寄存器值工具） :

i2cdump -f -y 0 0x68 //读取 I2C 总线 0 上地址为 0x68 的设备寄存器内容

i2cget（读取寄存器值工具）

i2cget -f -y 0 0x68 0x06       //读地址0x06的寄存器值

i2cset（设置寄存器值工具）

i2cset -f -y 0 0x68 0x06 0x18  //设置为18

i2ctransfer（数据传输，但是基于最基本的I2C协议，而不是SMBus协议）
```
i2ctransfer -f -y 0 w2@0x1e 0 0x4
i2ctransfer -f -y 0 w1@0x1e 0xc r2
```

使用示例（AP3216C传感器）：

复位：往寄存器0写入0x4

使能：往寄存器0写入0x3

读光强：读寄存器0xC、0xD得到2字节的光强

读距离：读寄存器0xE、0xF得到2字节的距离值

使用SMBus协议：

i2cset -f -y 0 0x1e 0 0x4
i2cset -f -y 0 0x1e 0 0x3
i2cget -f -y 0 0x1e 0xc w
i2cget -f -y 0 0x1e 0xe w

使用I2C协议：

i2ctransfer -f -y 0 w2@0x1e 0 0x4
i2ctransfer -f -y 0 w2@0x1e 0 0x3
i2ctransfer -f -y 0 w1@0x1e 0xc r2
i2ctransfer -f -y 0 w1@0x1e 0xe r2

编写APP控制

函数接口：

open_i2c_dev(int i2cbus, char * filename, size_t size, int quit)
// 第几条总线 argv[1]-'0' 数组 数组大小 填0可以打印错误信息

set_slave_addr(file, dev_addr, 1)
// open_i2c_dev的返回值 设备地址 强制设置

unsigned char *str = argv[3];
while(*str)
{
	i2c_smbus_write_byte_data(file, mem_addr, *str);
	// 文件索引 寄存器地址 要写入的一字节数据
	// 写完一个字节后需要等待10ms
	// struct timespec req;
    // req.tv_sec  = 0;    // 多少秒
    // req.tv_nsec = 20000000;   // 多少纳秒
    naonsleep(&req, NULL);
	mem_addr++;
	str++;
}
// 字符串结束符
i2c_smbus_write_byte_data(file, mem_addr, *str); 

i2c_smbus_read_i2c_block_data(file, mem_addr, sizeof(buf), buf);
buf[32] = '\0';
printf("get data：%s", buf  );
//读出32字节数据 文件索引 寄存器地址 数组大小 数据存放的数组

设备驱动

设备驱动模型

i2c_driver

匹配

//用于和设备树匹配
static const struct of_device_id ap3216_dt_match[] = {
	{ .compatible = "alientek,ap3216c", },
	{ }, 
};

//用于和一般的i2c设备匹配，不管i2c设备来自设备树还是手工创建
static const struct i2c_device_id ap3216_i2c_id[] = {
	{ "ap3216c", },
	{ }
};

static struct i2c_driver ap3216_i2c_driver = {
	.driver = {
		.owner = THIS_MODULE,
		.name = "ap3216",
		.of_match_table	= ap3216_dt_match,
	},
	.probe = ap3216_i2c_probe,
	.remove = ap3216_i2c_remove,
	.id_table = ap3216_i2c_id,
};

i2c_driver表明能支持哪些设备：

使用of_match_table来判断

设备树中，某个I2C控制器节点下可以创建I2C设备的节点

如果I2C设备节点的compatible属性跟of_match_table的某项兼容，则匹配成功

i2c_client.name跟某个of_match_table[i].compatible值相同，则匹配成功

使用id_table来判断

i2c_client.name跟某个id_table[i].name值相同，则匹配成功

i2c_driver跟i2c_client匹配成功后，就调用i2c_driver.probe函数

常用函数接口

i2c_add_driver(driver)
i2c_register_driver(THIS_MODULE, driver)
// 注册i2c驱动

void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver);
// 删除i2c驱动

i2c_client

设备树

在对应的i2c控制器节点下创建子节点，并将引脚复用为i2c功能

	i2c1: i2c@400a0000 {
		/* ... master properties skipped ... */
		clock-frequency = <100000>;

		flash@50 {
			compatible = "atmel,24c256";
			reg = <0x50>;
		};

		pca9532: gpio@60 {
			compatible = "nxp,pca9532";
			gpio-controller;
			#gpio-cells = <2>;
			reg = <0x60>;
		};
	};

函数

i2c_new_device

使用示例：

// 使用 i2c_new_device 函数创建 i2c_client 结构体
static int __init ap3216_i2c_clien_init(void)
{
	int bus = 0;
	struct i2c_adapter *adapter;

	struct i2c_board_info ap3216_info = {
		I2C_BOARD_INFO("ap3216c", 0x1e),   // 名字  地址
	};

	/* get i2c adapter bus*/
	adapter = i2c_get_adapter(bus);
	if (!adapter) {
		pr_err("%s failed to get i2c adapter %d.\n", __func__, bus);
		return -1;
	}
	/* register i2c device */
	client = i2c_new_device(adapter, &ap3216_info);

	/* release i2c adapter */
	i2c_put_adapter(adapter);
	return 0;
}

static void __exit ap3216_i2c_clien_exit(void)
{
	i2c_unregister_device(client);
}

用户空间

  // 创建一个i2c_client, .name = "eeprom", .addr=0x50, .adapter是i2c-3
  # echo eeprom 0x50 > /sys/bus/i2c/devices/i2c-3/new_device
  
  // 删除一个i2c_client
  # echo 0x50 > /sys/bus/i2c/devices/i2c-3/delete_device

作者：ad_l