1. I2C的基本协议介绍
I2C 是很常见的一种总线协议， I2C 是 NXP 公司设计的， I2C 使用两条线在主控制器和从
机之间进行数据通信。一条是 SCL(串行时钟线)，另外一条是 SDA(串行数据线)，这两条数据
线需要接上拉电阻，总线空闲的时候 SCL 和 SDA 处于高电平。 I2C 总线标准模式下速度可以
达到 100Kb/S，快速模式下可以达到 400Kb/S。 、
I2C 是支持多从机的，也就是一个 I2C 控制器下可以挂多个 I2C 从设备，这些不同的 I2C
从设备有不同的器件地址，这样 I2C 主控制器就可以通过 I2C 设备的器件地址访问指定的 I2C
设备了。
SDA 和 SCL 这两根线必须要接一个上拉电阻，一般是 4.7K。其余的 I2C 从
器件都挂接到 SDA 和 SCL 这两根线上，这样就可以通过 SDA 和 SCL 这两根线来访问多个 I2C
设备。
- 起始位
I2C 通信起始标志，通过这个起始位就可以告诉 I2C 从机，“我”要开始
进行 I2C 通信了。在 SCL 为高电平的时候， SDA 出现下降沿就表示为起始位
- 停止位
停止位就是停止 I2C 通信的标志位，和起始位的功能相反。在 SCL 位高电平的时候， SDA
出现上升沿就表示为停止位：
- 数据传输
I2C 总线在数据传输的时候要保证在 SCL 高电平期间， SDA 上的数据稳定，因此 SDA 上
的数据变化只能在 SCL 低电平期间发生
- 应答信号
当 I2C 主机发送完 8 位数据以后会将 SDA 设置为输入状态，等待 I2C 从机应答，也就是
等待 I2C 从机告诉主机它接收到数据了。应答信号是由从机发出的，主机需要提供应答信号所
需的时钟，主机发送完 8 位数据以后紧跟着的一个时钟信号就是给应答信号使用的。从机通过
将 SDA 拉低来表示发出应答信号，表示通信成功，否则表示通信失败。 - I2C写时序
I2C 写时序，我们来看一下写时序的具体步骤：
1)、开始信号。
2)、发送 I2C 设备地址，每个 I2C 器件都有一个设备地址，通过发送具体的设备地址来决
定访问哪个 I2C 器件。这是一个 8 位的数据，其中高 7 位是设备地址，最后 1 位是读写位，为
1 的话表示这是一个读操作，为 0 的话表示这是一个写操作。
3)、 I2C 器件地址后面跟着一个读写位，为 0 表示写操作，为 1 表示读操作。
4)、从机发送的 ACK 应答信号。
5)、重新发送开始信号。
6)、发送要写写入数据的寄存器地址。
7)、从机发送的 ACK 应答信号。
8)、发送要写入寄存器的数据。
9)、从机发送的 ACK 应答信号。
10)、停止信号。 - I2C读时序
I2C 单字节读时序比写时序要复杂一点，读时序分为 4 大步，第一步是发送设备地址，第
二步是发送要读取的寄存器地址，第三步重新发送设备地址，最后一步就是 I2C 从器件输出要
读取的寄存器值，我们具体来看一下这步。
1)、主机发送起始信号。
2)、主机发送要读取的 I2C 从设备地址。
3)、读写控制位，因为是向 I2C 从设备发送数据，因此是写信号。
4)、从机发送的 ACK 应答信号。
5)、重新发送 START 信号。
6)、主机发送要读取的寄存器地址。
7)、从机发送的 ACK 应答信号。
8)、重新发送 START 信号。
9)、重新发送要读取的 I2C 从设备地址。
10)、读写控制位，这里是读信号，表示接下来是从 I2C 从设备里面读取数据。
11)、从机发送的 ACK 应答信号。
12)、从 I2C 器件里面读取到的数据。
13)、主机发出 NO ACK 信号，表示读取完成，不需要从机再发送 ACK 信号了。
14)、主机发出 STOP 信号，停止 I2C 通信。 - I2C多字节读写时序
有时候我们需要读写多个字节，多字节读写时序和单字节的基本一致，只是在读写数据的
时候可以连续发送多个自己的数据，其他的控制时序都是和单字节一样的。
参考文章：https://blog.youkuaiyun.com/qq_43858116/article/details/126031721
2. 整体框架介绍
在linux的i2c架构如下图
内核空间部分可以分为：i2c设备驱动、i2c核心以及i2c总线驱动
- i2c核心：框架的实现；提供i2c总线驱动和设备驱动的注册、注销方法；i2c通信方法（algorithm）上层的，与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。这一部分的工作由内核开发者完成。
- i2c总线驱动：具体控制器的实现；i2c总线驱动是对i2c硬件体系结构中适配器端的实现，说白了，就是怎么操作i2c模块工作。适配器可由CPU控制，甚至直接集成到cpu里面（ algorithm driver
adapter driver） - i2c设备：对i2c硬件体系结构中设备端的实现，比如说板上的EEPROM设备等。设备一般挂接在cpu控制的i2c适配器上，通过i2c适配器与cpu交换数据。（ chip drivers, 包括多种类型，如RTC, EEPROM, I/O expander, hardware monitoring, sound, video等）
名词解释 - i2c-adapter（适配器）：指的是CPU实际的I2C控制器（例如I2C0，I2C1）；
- i2c-device（设备）：指的是I2C总线上的从设备（例如某片EEPROM，某个触摸屏）；
- i2c algorithm（算法、实现方法）：这里指的是对i2c设备一套对应的通信方法。
分层的好处：
让工程师们各司其职，只关心自己应该实现的部分
不需要为每一个i2c控制器编写所有从设备的控制代码，只需要分别完成n个控制器的控制接口，m个从设备的访问实现，即可实现任意的控制器访问任意的从设备（假设硬件连接支持）
2.1 I2C总线驱动
首先来看下I2C总线，其实linux中还有一个虚拟的总线，platform bus，建议可以先了解一下这个，platform 是虚拟出来的一条总线，目的是为了实现总线、设备、驱动框架，I2C也是同理的。对于 I2C 而言，不需要虚拟出一条总线，直接使用 I2C总线即可。 I2C 总线驱动重点是 I2C 适配器(也就是 SoC 的 I2C 接口控制器)驱动，这里要用到两个重要的数据结构： i2c_adapter 和 i2c_algorithm， I2C 子系统将 SoC 的 I2C 适配器(控制器)抽象成一个 i2c_adapter 结构体， i2c_adapter 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中，结构体内容如下：
/*
* i2c_adapter is the structure used to identify a physical i2c bus along
* with the access algorithms necessary to access it.
*/
struct i2c_adapter {
struct module *owner;
unsigned int class; /* classes to allow probing for */
const struct i2c_algorithm *algo; /* the algorithm to access the bus */
void *algo_data;
/* data fields that are valid for all devices */
const struct i2c_lock_operations *lock_ops;
struct rt_mutex bus_lock;
struct rt_mutex mux_lock;
int timeout; /* in jiffies */
int retries;
struct device dev; /* the adapter device */
unsigned long locked_flags; /* owned by the I2C core */
#define I2C_ALF_IS_SUSPENDED 0
#define I2C_ALF_SUSPEND_REPORTED 1
int nr;
char name[48];
struct completion dev_released;
struct mutex userspace_clients_lock;
struct list_head userspace_clients;
struct i2c_bus_recovery_info *bus_recovery_info;
const struct i2c_adapter_quirks *quirks;
struct irq_domain *host_notify_domain;
struct regulator *bus_regulator;
};
i2c_algorithm 类型的指针变量 algo，对于一个 I2C 适配器，肯定要对外提供读写 API 函数，设备驱动程序可以使用这些 API 函数来完成读写操作。i2c_algorithm就是I2C 适配器与 IIC 设备进行通信的方法。
/**
* struct i2c_algorithm - represent I2C transfer method
* @master_xfer: Issue a set of i2c transactions to the given I2C adapter
* defined by the msgs array, with num messages available to transfer via
* the adapter specified by adap.
* @master_xfer_atomic: same as @master_xfer. Yet, only using atomic context
* so e.g. PMICs can be accessed very late before shutdown. Optional.
* @smbus_xfer: Issue smbus transactions to the given I2C adapter. If this
* is not present, then the bus layer will try and convert the SMBus calls
* into I2C transfers instead.
* @smbus_xfer_atomic: same as @smbus_xfer. Yet, only using atomic context
* so e.g. PMICs can be accessed very late before shutdown. Optional.
* @functionality: Return the flags that this algorithm/adapter pair supports
* from the ``I2C_FUNC_*`` flags.
* @reg_slave: Register given client to I2C slave mode of this adap
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