I2C驅(qū)動(dòng)框架簡介

I2C 驅(qū)動(dòng)屬于總線-設(shè)備-驅(qū)動(dòng)模型的，與I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型相比，大體框架是一樣，系統(tǒng)的整體框架如下所示。

• 最上層是應(yīng)用層，在應(yīng)用層用戶可以直接用open read write對設(shè)備進(jìn)行操作，
• 往下是設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，這個(gè)就是外圍的比如一些用I2C總線連接到SOC的傳感器或者EEPROM的驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)一般由普通驅(qū)動(dòng)工程師負(fù)責(zé)，
• 再往下的I2C-Core是核心層，這個(gè)是Linux內(nèi)核源碼里面本來就有的，這里面主要是一些驅(qū)動(dòng)和設(shè)備的注冊函數(shù)以及i2c_transfer函數(shù)，
• 再往下就是I2C控制器驅(qū)動(dòng)，這個(gè)一般是由芯片原廠的程序員負(fù)責(zé)編寫，
• 再往下就是具體的硬件了。

用戶空間

/dev/i2c-*提供了用戶空間與內(nèi)核空間之間的接口，允許用戶空間應(yīng)用程序通過設(shè)備文件（如）與I2C驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。用戶空間應(yīng)用程序可以使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C系統(tǒng)調(diào)用（如ioctl()）來發(fā)送和接收I2C消息。

在Linux內(nèi)核代碼文件/include/linux/i2c-dev.c中針對每個(gè)適配器生成一個(gè)主設(shè)備號(hào)為89的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了文件操作接口，用戶空間可以通過i2c設(shè)備節(jié)點(diǎn)訪問i2c適配器。適配器的編號(hào)從0開始，和適配器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的次設(shè)備號(hào)相同。

i2c適配器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)是/dev/i2c-x，其中x是數(shù)字，代表適配器的編號(hào)。由于適配器編號(hào)是動(dòng)態(tài)分配的（和注冊次序有關(guān)），所以想了解哪一個(gè)適配器對應(yīng)什么編號(hào)，可以查看/sys/class/i2c-dev/目錄下的文件內(nèi)容。

內(nèi)核空間

I2C driver

I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是Linux內(nèi)核中負(fù)責(zé)管理和控制特定I2C設(shè)備的關(guān)鍵組件。它通過與I2C核心層協(xié)同工作，提供了與I2C設(shè)備進(jìn)行通信、注冊、注銷、探測、移除等功能的接口。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)初始化設(shè)備、處理設(shè)備的讀寫操作、響應(yīng)中斷事件等，以實(shí)現(xiàn)對I2C設(shè)備的控制和管理。通過I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，用戶空間應(yīng)用程序和其他內(nèi)核組件可以方便地與I2C設(shè)備進(jìn)行交互，并實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用需求。

下面詳細(xì)介紹I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的主要組成和功能：

• 設(shè)備注冊和注銷：
  I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層提供了函數(shù)接口，允許驅(qū)動(dòng)程序注冊和注銷I2C設(shè)備。注冊過程中，驅(qū)動(dòng)程序需要提供設(shè)備的描述信息，如設(shè)備名、設(shè)備地址等，以便核心層能夠識(shí)別和管理設(shè)備。通過注冊，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃O(shè)備與I2C總線關(guān)聯(lián)起來，并為設(shè)備分配唯一的設(shè)備編號(hào)。注銷過程中，驅(qū)動(dòng)程序通知核心層不再需要管理該設(shè)備。

• 設(shè)備探測和移除：
  當(dāng)I2C總線上連接的設(shè)備被插入或移除時(shí)，I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的探測和移除函數(shù)將被調(diào)用。探測函數(shù)負(fù)責(zé)初始化設(shè)備并準(zhǔn)備設(shè)備進(jìn)行通信。它接收一個(gè)i2c_client結(jié)構(gòu)體指針作為參數(shù)，該結(jié)構(gòu)體包含設(shè)備的地址、適配器指針等信息。探測函數(shù)通常會(huì)執(zhí)行設(shè)備的初始化和配置操作，并將設(shè)備添加到設(shè)備模型中，以便其他組件可以訪問設(shè)備。移除函數(shù)在設(shè)備被移除時(shí)執(zhí)行，它負(fù)責(zé)清理設(shè)備和相關(guān)資源，并從設(shè)備模型中注銷設(shè)備。

• 設(shè)備操作接口：
  I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層提供了一組函數(shù)接口，允許用戶空間應(yīng)用程序或其他內(nèi)核組件與I2C設(shè)備進(jìn)行通信和操作。這些接口包括讀取寄存器、寫入寄存器、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等操作。驅(qū)動(dòng)程序通過這些接口與設(shè)備進(jìn)行交互，讀取或?qū)懭朐O(shè)備的寄存器，發(fā)送和接收設(shè)備的數(shù)據(jù)。

• 設(shè)備節(jié)點(diǎn)和文件系統(tǒng)接口：
  在Linux內(nèi)核中，I2C設(shè)備通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)（Device Node）在文件系統(tǒng)中表示。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使用戶空間應(yīng)用程序可以通過文件系統(tǒng)接口來訪問和控制設(shè)備。設(shè)備節(jié)點(diǎn)通常位于/sys/bus/i2c/devices目錄下，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)已注冊的I2C設(shè)備。用戶空間應(yīng)用程序可以打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)的讀寫操作來與設(shè)備進(jìn)行通信。

• 中斷和工作隊(duì)列：
  I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)層還提供了處理中斷和異步操作的機(jī)制，以滿足實(shí)時(shí)性要求。當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序可以注冊中斷處理函數(shù)來響應(yīng)中斷事件，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。此外，驅(qū)動(dòng)程序還可以使用工作隊(duì)列（Work Queue）機(jī)制，在延遲執(zhí)行的上下文中處理任務(wù)，以避免阻塞關(guān)鍵代碼路徑。

I2Ccore

I2C core是Linux內(nèi)核中負(fù)責(zé)管理和控制I2C總線的基礎(chǔ)層，提供了一組API和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于注冊、注銷和管理I2C控制器、適配器以及與其連接的I2C設(shè)備。

• I2C控制器注冊：I2C核心層允許I2C控制器驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)注冊。控制器驅(qū)動(dòng)程序通過向I2C核心層提供適當(dāng)?shù)男畔⒑突卣{(diào)函數(shù)來完成注冊過程。一旦注冊成功，核心層將管理該控制器的狀態(tài)并提供相應(yīng)的接口。

• I2C適配器管理：I2C核心層負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的所有I2C適配器。它提供了適配器的注冊和注銷接口，以便適配器驅(qū)動(dòng)程序可以將適配器添加到系統(tǒng)中或?qū)⑵湟瞥：诵膶舆€維護(hù)了適配器的狀態(tài)信息，例如適配器的名稱、地址范圍等。

• I2C設(shè)備注冊和管理：I2C核心層允許I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊與I2C總線連接的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過提供設(shè)備地址、設(shè)備ID等信息來完成注冊過程。一旦注冊成功，核心層將為該設(shè)備分配一個(gè)唯一的設(shè)備編號(hào)，并提供一組函數(shù)接口，使驅(qū)動(dòng)程序能夠與該設(shè)備進(jìn)行通信。

• I2C消息傳輸：I2C核心層提供了用于發(fā)送和接收I2C消息的函數(shù)接口。驅(qū)動(dòng)程序可以使用這些接口來創(chuàng)建和配置I2C消息，包括設(shè)備地址、寄存器地址、數(shù)據(jù)等信息，并通過適配器驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑾l(fā)送到I2C總線上。核心層還處理I2C消息的ACK/NACK響應(yīng)，并提供錯(cuò)誤處理機(jī)制。

• I2C設(shè)備節(jié)點(diǎn)：I2C核心層通過/sys/bus/i2c/devices目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)來表示已注冊的I2C設(shè)備。每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)包含設(shè)備的唯一編號(hào)、設(shè)備地址等信息，驅(qū)動(dòng)程序可以使用這些設(shè)備節(jié)點(diǎn)來訪問和控制對應(yīng)的I2C設(shè)備。

I2C algorithm

I2C algorithm是在軟件層面上實(shí)現(xiàn)I2C總線通信的一系列步驟和流程。它通過初始化、發(fā)起通信、傳輸數(shù)據(jù)、等待應(yīng)答、終止通信等操作來實(shí)現(xiàn)與I2C設(shè)備的通信和控制。在Linux內(nèi)核中，I2C算法提供了通用的接口和函數(shù)，使驅(qū)動(dòng)程序可以方便地使用和擴(kuò)展I2C功能。

以下是I2C算法的主要步驟和流程：

• 初始化：
  在使用I2C總線之前，需要初始化I2C控制器和相關(guān)的硬件資源。這包括設(shè)置I2C控制器的時(shí)鐘頻率、配置引腳和電氣特性等。在Linux內(nèi)核中，通常通過I2C子系統(tǒng)的初始化函數(shù)來完成這些操作。

• 選擇總線：
  在多個(gè)I2C總線存在的情況下，需要選擇要使用的I2C總線。通常，每個(gè)I2C總線都由一個(gè)獨(dú)立的控制器和相關(guān)的硬件資源管理。選擇總線的方法可以是根據(jù)硬件連接關(guān)系，或者根據(jù)設(shè)備的地址范圍等。

• 發(fā)起通信：
  在進(jìn)行I2C通信之前，需要發(fā)起通信請求。通信請求包括設(shè)備地址、讀寫操作、寄存器地址（如果適用）以及數(shù)據(jù)長度等信息。在Linux內(nèi)核中，可以使用i2c_transfer()函數(shù)發(fā)起通信請求。

• 生成起始信號(hào)：
  為了開始一次I2C通信，主設(shè)備（通常是控制器）需要發(fā)送起始信號(hào)。起始信號(hào)表示一次新的通信開始，并引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。

• 傳輸數(shù)據(jù)：
  在I2C通信中，數(shù)據(jù)傳輸通過時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)線進(jìn)行。主設(shè)備通過時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸速率，而數(shù)據(jù)信號(hào)線上的電平則表示傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)。主設(shè)備和從設(shè)備通過時(shí)鐘同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

• 等待應(yīng)答：
  在主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)后，它會(huì)等待從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)可以是從設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線，表示準(zhǔn)備接收下一個(gè)字節(jié)；或者釋放數(shù)據(jù)線，表示拒絕接收數(shù)據(jù)。

• 終止通信：
  在完成一次I2C通信后，需要發(fā)送終止信號(hào)來結(jié)束通信。終止信號(hào)表示一次通信的結(jié)束，并將總線釋放給其他設(shè)備。

• 錯(cuò)誤處理：
  在I2C通信過程中，可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，如設(shè)備無響應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸失敗等。在Linux內(nèi)核中，I2C算法提供了相應(yīng)的錯(cuò)誤處理機(jī)制，允許驅(qū)動(dòng)程序檢測和處理通信錯(cuò)誤。

I2C adapter

I2C適配器是一種硬件設(shè)備，用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提供I2C總線的物理接口和信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。它充當(dāng)I2C主控制器的角色，負(fù)責(zé)管理和控制連接在I2C總線上的從設(shè)備。適配器提供物理接口、信號(hào)轉(zhuǎn)換、主控制器功能、多總線支持等特點(diǎn)和功能，通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)進(jìn)行通信。簡單來說，一根i2c總線就是一個(gè)I2C adapter。

I2C適配器的作用如下：

• 物理接口：
  I2C適配器提供了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與I2C總線之間的物理接口。它通常包括多個(gè)I2C總線連接點(diǎn)，每個(gè)連接點(diǎn)可以連接一個(gè)或多個(gè)I2C設(shè)備。I2C適配器的物理接口可以是標(biāo)準(zhǔn)的I2C引腳，如SDA（Serial Data Line）和SCL（Serial Clock Line），也可以是其他物理接口，如GPIO（General Purpose Input/Output）引腳。

• 信號(hào)轉(zhuǎn)換：
  I2C適配器負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電平和信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線規(guī)范的電平和信號(hào)。它可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換為I2C總線所需的電平，如將3.3V或5V電平轉(zhuǎn)換為I2C的標(biāo)準(zhǔn)電平（通常為3.3V）。此外，適配器還負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為I2C總線所需的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)。

• 主控制器功能：
  I2C適配器充當(dāng)I2C總線的主控制器，負(fù)責(zé)發(fā)起和管理I2C通信。它可以向從設(shè)備發(fā)送讀取和寫入命令，接收從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)，并控制數(shù)據(jù)的傳輸速率和時(shí)序。適配器還負(fù)責(zé)生成起始信號(hào)和終止信號(hào)，以標(biāo)識(shí)一次通信的開始和結(jié)束。

• 多總線支持：
  一些I2C適配器支持多個(gè)獨(dú)立的I2C總線。這允許在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上連接多個(gè)I2C總線，并通過適配器進(jìn)行獨(dú)立的控制和管理。每個(gè)總線可以具有不同的時(shí)鐘頻率、地址范圍和連接設(shè)備。

• 驅(qū)動(dòng)程序支持：
  I2C適配器通常需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來與操作系統(tǒng)進(jìn)行通信。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將適配器的功能暴露給操作系統(tǒng)，并提供對適配器的控制和配置接口。在Linux內(nèi)核中，提供了一組通用的I2C適配器驅(qū)動(dòng)程序接口，使開發(fā)人員能夠編寫適配器特定的驅(qū)動(dòng)程序。

• 軟件工具支持：
  為了方便使用和調(diào)試，一些I2C適配器提供了相應(yīng)的軟件工具。這些工具可以用于掃描和探測已連接的I2C設(shè)備、讀取和寫入設(shè)備的寄存器、顯示設(shè)備的狀態(tài)和信息等。

硬件層

I2C device

I2C設(shè)備是連接在I2C總線上的從設(shè)備，通過I2C總線與主控制器進(jìn)行通信和控制。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，并支持讀取和寫入操作。設(shè)備具有寄存器和功能，可以存儲(chǔ)配置參數(shù)、狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)。不同類型的設(shè)備具有不同的功能和特性，主控制器可以通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序與設(shè)備進(jìn)行交互。

在使用I2C設(shè)備時(shí)，主控制器通過發(fā)送設(shè)備地址、讀取或?qū)懭朊钜约跋嚓P(guān)的數(shù)據(jù)來與設(shè)備進(jìn)行通信。設(shè)備根據(jù)接收到的命令和數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將結(jié)果返回給主控制器。主控制器可以通過適當(dāng)?shù)能浖?qū)動(dòng)程序和庫函數(shù)來管理和控制連接的I2C設(shè)備。

本文參考

https://blog.csdn.net/u013171226/article/details/131761869

https://zhuanlan.zhihu.com/p/645018040

https://www.zhihu.com/tardis/bd/ans/3056478847?source_id=1001

https://www.jianshu.com/p/6d162195f4a7

總結(jié)

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