I2C学习笔记

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已于 2023-03-03 11:34:21 修改

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分类专栏：嵌入式学习文章标签：学习网络单片机

于 2023-03-02 18:23:20 首次发布

原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/yueqiu693/article/details/122210598；https://www.cnblogs.com/manlujun/p/16059964.html；https://blog.youkuaiyun.com/phenixyf/article/details/47005547

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本文介绍了I2C协议的基础，包括时序图中的上升沿、下降沿和应答信号，以及Linux下的I2C驱动结构，如总线、驱动、设备和适配器之间的关系。I2C协议通过两线传输数据，采用主从架构，文中详细阐述了写操作时序和数据格式。在Linux中，I2C驱动通过I2C总线与设备进行通信，涉及驱动注册、设备匹配及数据传输过程。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一、时序图

1.1 时序图基础

方波

在这里插入图片描述

上升沿与下降沿

上升箭头即在上升沿触发，反之则是下降沿触发
在这里插入图片描述

Either Or信号

非此即彼信号表示，既有可能是高也可能是低。
在这里插入图片描述

灰色区域

灰色区域表示三态：低电平，高电平，高阻态。
在这里插入图片描述

F省略

类似f的图形表示省略符号
在这里插入图片描述

二、I2C协议

IIC（Inter-Integrated Circuit）是一种具有两线传输的串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年为了让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备而提出，适用于数据量不大且传输距离短的场合。IIC串行总线由两根信号线组成，一根是双向的数据线SDA，另一根是单向的时钟线SCL，在空闲状态时，SDA和SCL线都置’1‘，为高电平。
IIC为同步的半双工通信方式
常见的传输速率有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s

2.1.传输协议

IIC由两根通信信号线组成，SCL是由主模块输入的时钟信号，是单向的信号，而SDA是由主机或从机控制的数据信号，是双向信号。

2.1.1 基本信号介绍

写操作时序

在进行写操作时，SCL一直保持时钟的信号，SDA线的传输以8位为一个单位，在进行第一个8bit的传输后，若从设备接收到传输信号，则会返回一个应答信号ack，然后拉低SDA线，进行下一步的数据写入，写周期时序图如下图所示，twr 为进行数据写入的时钟周期。
在这里插入图片描述

数据有效性

SCL保持高电平时，SDA数据必须稳定。SCL为低电平时，SDA才可以改变数据。认为SCL高电平时，数据有效。
在这里插入图片描述

开始结束信号

当SCL为高电平时，SDA由高电平降为低电平代表START信号，SDA由低电平升为高电平代表STOP信号。
在这里插入图片描述

从机应答信号

检测到start信号后，在随后的8个时钟周期，SDA线进行一次8bit的数据传输，若接收到相应的8bit信号，则在拉低SDA信号，并视为一次ack应答信号。
在这里插入图片描述

2.1.2 数据格式

进行一次IIC传输时，由指示当前数据传输开始，由指示当前的数据传输结束，IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，一次完整的IIC传输包含

Trans_data = Start + n * Bytes+ n * ack + Stop

在这里插入图片描述

当检测到Start信号时，**主机输出8bit的信号，其中前7bit表示从机的地址，为选中的从机信息，第8bit表示当前进行的读写操作，为’1’表示读操作，为’0’表示写操作，然后第9位为从机的应答ack信号，**表示指定从机已接收到地址信号，以进行后续的传输；后续的传输以 8 bit + ack 的重复，即 n * Bytes + n * ack 信号来进行数据的传输，最后主机发出Stop信号，即当前的一次IIC传输结束

2.2 Linux下的I2C驱动

2.2.1 I2C的几个对象

1. I2C总线

I2C总线对应着/bus下的一条总线，这个i2c总线结构体维护着两个链表（I2C驱动、I2C设备），管理着i2c设备与I2C驱动的匹配，删除等操作，I2C总线会调用i2c_device_match函数看I2C设备和I2C驱动是否匹配，如果匹配就调用i2c_device_probe函数，进而调用I2C驱动的probe函数。

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,
};

2. I2C驱动

对应I2C设备的驱动程序

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
};

3. I2C设备

是具体硬件设备的一个抽象

struct i2c_client {
	unsigned short addr; //设备地址
	char name[I2C_NAME_SIZE]; //设备名称
	struct i2c_adapter *adapter; //设配器，值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
};

4. I2C适配器

经过上面的介绍，知道有I2C驱动和I2C设备，我们需要通过I2C驱动去和I2C设备通讯，这其中就需要一个I2C适配器，I2C适配器对应的就是SOC上的I2C控制器。

struct i2c_adapter {
	unsigned int id; //设备器的编号
	const struct i2c_algorithm *algo; //算法，发送时序
	struct device dev; //表明这是一个设备
};

struct i2c_algorithm {
    /* 作为主设备时的发送函数 */
	int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs,
			   int num);

    /* 作为从设备时的发送函数 */
	int (*smbus_xfer) (struct i2c_adapter *adap, u16 addr,
			   unsigned short flags, char read_write,
			   u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data);
};

5. 总线，设备，驱动之间关系

总线代表同类设备需要共同遵守的时序，不同总线硬件的通信时序也是不同的
设备代表真实存在的物理器件，每个器件有自己不同的通信时序
驱动代表操作设备的方式和流程，以应用来说，在程序open设备时，接着read这个这个设备，驱动就是实现应用访问的具体过程。驱动就是一个通信官和翻译官，一是通过对soc的控制寄存器编程，按总线要求输出相应时序的命令，与设备交互，一是对得到数据进行处理，给上层提供特定格式数据。

设备与驱动匹配上后。驱动程序需要通过i2c_transfer来与设备通讯，此时就需要指定i2c适配器，故驱动程序是通过i2c适配器向设备发送数据的！

以注册I2C驱动为例，简单讲解I2C总线的运行机制（I2C设备道理相同） 1、注册I2C驱动
2、将I2C驱动添加到I2C总线的驱动链表中
3、遍历I2C总线上的设备链表，根据i2c_device_match函数进行匹配，如果匹配调i2c_device_probe函数
4、i2c_device_probe函数会调用I2C驱动的probe函数

6. adapter，driver(驱动)，client(设备)，algorithm四个结构体关系介绍

(1)adapter与algorithm之间关系

adapter对应一个适配器，而algorithm对应的则是一套通讯方法。适配器需要通信函数来控制适配器产生合适的访问周期。否则适配器什么也做不了。

(2)driver与client

client对应的是真实的物理设备，每个物理设备都需要一个client来描述。而一个驱动可以对应多个client，即一个driver可以对应多个同类型的client。

(3)adapter与client

client依附于adapter。一个适配器可以连多个设备

2.2.2 Linux I2C体系结构

在这里插入图片描述

I2C体系结构分为三个部分：I2C核心，I2C设备驱动，I2C总线(适配器)驱动。

1. 核心层

提供一组不依赖硬件平台的接口函数，一般不需要被修改。

/*增加/删除i2c_adapter*/
int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter *adap);
void i2c_del_adapter(struct i2c_adapter *adap);
/*增加/删除i2c_driver*/
int i2c_register_driver(struct module *owner, struct i2c_driver *driver);
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver);
/*I2C传输发送与接受： master中包含了transfer*/
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);
int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, const char *buf, int count);
int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char *buf, int count);

i2c_transfer() 函数本身不具备驱动适配器物理硬件以完成消息交互的能力，它只是寻找到与 i2c_adapter 对应的 i2c_algorithm，并使用 i2c_algorithm 的 master_xfer() 函数真正驱动硬件流程。

2. I2C适配器驱动层

对应Soc的I2C控制器，把I2C控制器看做一个设备，实现I2C控制器的驱动代码，和具体的Soc相关；

适配器驱动资源的初始化与注册

由于IIC总线控制器通常是在内存上的，所有它本身也连接在platform总线上，要通过paltform_driver 和paltform_device 的匹配来执行。在该paltform_driver 的probe函数中，通常完成两个工作：(1)初始化I2C适配器所使用的硬件资源，如申请i/o地址、中断号、时钟等。(2)通过i2c_add_adapter接口向I2C总线注册了一个适配器。

I2C总线的通信方法

为特定的I2C适配器提供通信方法，主要是实现i2c_algorithm的functionality()函数与master_xfer()函数。

static int i2c_adapter_xxx_xfer(struct i2c_adapter * adap, struct i2c_msg *
msgs, int num)
{
    ......
    for (i = 0; i < num; i++) {
        i2c_adapter_xxx_start();							/* 产生开始位 */
        /* 是读消息 */
        if (msgs[i]->flags & I2C_M_RD) {
			i2c_adapter_xxx_setaddr((msgs->addr << 1) | 1);	/* 发送从设备地址 */
			i2c_adapter_xxx_wait_ack();						/* 获得从设备的ack */
			i2c_adapter_xxx_readbytes((msgs[i]->buf, msgs[i]->len));/* 读取len长度的数据 */ 
		} else {											/* 是写消息 */
			i2c_adapter_xxx_setaddr(msgs->addr << 1);		/* 发送从设备写地址 */
			i2c_adapter_xxx_wait_ack();						/* 获得从设备的ack */
			i2c_adapter_xxx_writebytes(msgs[i]->buf, msgs[i]->len);	/* 写入len长度的数据 */
		}
    }
	i2c_adapter_xxx_stop();									/* 产生停止位 */
}

上述代码实际上给出了一个 master_xfer() 函数处理 I2C 消息数据的流程，对于数组中的每个消息，都是按照该流程跑（硬件的时序），模板中调用的各个函数，用于完成适配器的底层硬件操作，与 I2C 适配器和 CPU 的具体硬件直接相关，根据芯片手册实现。

3.I2C设备驱动层

和具体I2C接口的外设相关，每种外设都有自己的专属I2C驱动代码；

static struct i2c_driver yyy_driver = {
    .driver = {
        .name = "yyy",
    },
    .probe			= yyy_probe,
    .remove			= yyy_remove,
    .id_table		= yyy_id,
};

I2C设备驱动的模块加载与卸载

static int __init yyy_init(void)
{
	return i2c_add_driver(&yyy_driver);
}
module_initcall(yyy_init);

static void __exit yyy_exit(void)
{
	i2c_del_driver(&yyy_driver);
}
module_exit(yyy_exit);

I2C设备驱动的数据传输

struct i2c_msg msgs[2];
/* 第一条消息是写消息 */
msgs[0].addr = client->addr;
msgs[0].flags = 0;
msgs[0].len = 1;
msgs[0].buf = &offs;
/* 第二条消息是读消息 */
msgs[1].addr = client->addr;
msgs[1].flags = I2C_M_RD;
msgs[1].len = sizeof(buf);
msgs[1].buf = &buf[0];

i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);

2.3 GPIO口模拟I2C总线协议(代码)

/*GPIO口模拟I2C总线协议 */

#define SDA 254                         //定义SDA所对应的GPIO接口编号
#define SCL 255                         //定义SCL所对应的GPIO接口编号
#define OUTP 1                          //表示GPIO接口方向为输出
#define INP 0                           //表示GPIO接口方向为输入

/* I2C起始条件 —————— S信号：SCL保持高电平，SDA由高到低*/
int i2c_start()
{
	//初始化GPIO口
	set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出
	set_gpio_direction (SCL, OUTP);         //设置SCL方向为输出
	set_gpio_value(SDA, 1);                //设置SDA为高电平
	set_gpio_value(SCL, 1);                 //设置SCL为高电平
	delay();                            //延时

	//起始条件
	set_gpio_value(SDA, 0);                 //SCL为高电平时，SDA由高变低
	delay();
}

/* I2C终止条件 ————— P信号：SCL保持高电平，SDA由低到高*/
void i2c_stop()
{
	set_gpio_value(SCL, 1);
	set_gpio_direction(SDA, OUTP);
	set_gpio_value(SDA, 0);
	delay();
	set_gpio_value(SDA, 1);             //SCL高电平时，SDA由低变高
}

/*
	*并非每传输8位数据之后，都会有ACK信号，有以下3种例外
	*1.当从机不能响应从机地址时(例如它正忙于其他事而无法响应IIC总线的操作，或者这个地址没有对应的从机)，在第9个SCL周期内SDA线没有拉低，即没有ACK信号。这时，主机发出一个P信号终止传输或者重新发出一个S信号开始新的传输。
	*2.如果从机接收器在传输过程中不能接收更多的数据时，它不会发出ACK信号。这样，主机就可以意识到这点，从而发出一个P信号终止传输或者重新发出一个S信号开始新的传输。
	*3.主机接收器在接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号。于是，从机发送器释放SDA线，以允许主机发出P信号结束传输。
*/

/*
	*应答信号ACK
	*发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。
	*应答信号低电平为有效应答位，高电平为非应答位
	*对于反馈有效应答ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平
*/

/*
I2C读取ACK信号(写数据时使用)
返回值 ：0表示ACK信号有效；非0表示ACK信号无效
*/
unsigned char i2c_read_ack()
{
	unsigned char r;
	set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入
	set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低
	r = get_gpio_value(SDA);                //读取ACK信号
	delay();
	set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高
	delay();
	return r;
}

/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */
int i2c_send_ack()
{
	set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出
	set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低
	set_gpio_value(SDA, 0);             //发出ACK信号
	delay();
	set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高
	delay();
}

/* I2C字节写 */
void i2c_write_byte(unsigned char b)
{
	int i;
	set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出
	for (i = 7; i >= 0; i--) {
		set_gpio_value(SCL, 0);             // SCL变低
		delay();
		set_gpio_value(SDA, b & (1<<i));        //从高位到低位依次准备数据进行发送
		set_gpio_value(SCL, 1);             // SCL变高
		delay();
	}
	i2c_read_ack();                 //检查目标设备的ACK信号
}

/* I2C字节读 */
unsigned char i2c_read_byte()
{
	int i;
	unsigned char r = 0;
	set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入
	for (i=7; i>=0; i--) {
		set_gpio_value(SCL, 0);         // SCL变低
		delay();
		r = (r <<1) | get_gpio_value(SDA);      //从高位到低位依次准备数据进行读取
		set_gpio_value(SCL, 1);         // SCL变高
		delay();
	}
	i2c_send_ack();                 //向目标设备发送ACK信号
	return r;
}

/*
I2C读操作
addr：目标设备地址
buf：读缓冲区
len：读入字节的长度
*/
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
	int i;
	unsigned char t;
	i2c_start();                        //起始条件，开始数据通信
	//发送地址和数据读写方向
	t = (addr << 1) | 1;                    //低位为1，表示读数据
	i2c_write_byte(t);
	//读入数据
	for (i=0; i<len; i++)
		buf[i] = i2c_read_byte();
	i2c_stop();                     //终止条件，结束数据通信
}
/*
I2C写操作
addr：目标设备地址
buf：写缓冲区
len：写入字节的长度
*/
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
	int i;
	unsigned char t;
	i2c_start();                        //起始条件，开始数据通信
	//发送地址和数据读写方向
	t = (addr << 1) | 0;                    //低位为0，表示写数据
	i2c_write_byte(t);
	//写入数据
	for (i=0; i<len; i++)
		i2c_write_byte(buf[i]);
	i2c_stop();                     //终止条件，结束数据通信
}