I2c子系统

1. 理解I2C协议的基础知识

协议概述
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛使用的串行通信协议，通常用于短距离、低速的通信。它由Philips（现为NXP）在1982年发明，主要用于在集成电路（IC）之间进行通信。I2C协议的优点包括：
简单的总线结构：只需要两根信号线。
多主从设备支持：允许多个主设备和从设备共用同一条总线。
灵活性：支持各种速率，适用于不同的应用场景。
I2C适用于多种场景，包括：

微控制器和传感器之间的数据通信。
存储设备（如EEPROM）和处理器之间的数据传输。
显示设备（如LCD屏幕）的控制。
总线结构
I2C总线由两条主要信号线组成：

SDA（数据线）：用于传输数据。
SCL（时钟线）：用于同步数据传输。
在I2C总线上，多个设备可以通过唯一的地址进行通信。每个设备可以作为主设备或从设备。主设备发起通信并控制时钟信号，从设备响应主设备的请求。

信号线
SDA（Serial Data Line）：双向数据线，传输数据位。
SCL（Serial Clock Line）：单向时钟线，由主设备生成时钟信号，同步数据传输。

3. 熟悉I2C的工作原理

传输模式
I2C支持多种传输模式，包括：

标准模式（Standard Mode）：最高速率为100 kbps。
快速模式（Fast Mode）：最高速率为400 kbps。
高速模式（High-Speed Mode）：最高速率为3.4 Mbps。
地址格式
I2C设备的地址有两种格式：

7位地址：最常用的地址格式，支持128个设备地址。
10位地址：扩展地址格式，支持更多设备，但较少使用。
设备地址在传输时包括一个读/写位，用于指示主设备是要读取还是写入数据。

数据传输
I2C的数据传输过程包括以下几个步骤：

起始条件（Start Condition）：主设备拉低SDA线并保持SCL线高电平，表示通信开始。
地址传输（Address Transfer）：主设备发送从设备地址和读/写位，从设备响应。
数据传输（Data Transfer）：数据按字节传输，每个字节后跟一个ACK/NACK位。
停止条件（Stop Condition）：主设备拉高SDA线并保持SCL线高电平，表示通信结束。
ACK/NACK机制
ACK（Acknowledge）：确认信号，由接收方（通常是从设备）发送，表示数据已成功接收。
NACK（Not Acknowledge）：非确认信号，表示数据接收失败或没有更多数据要发送。

在C语言中，当我们将一个非零的值赋值给一个布尔类型或等效的引脚定义时，该值会被解释为1。这是因为在C语言中，任何非零值都被视为“真”，即等效于1。

4传输方法

I2C 数据传输格式
起始条件（Start Condition）:

主设备拉低 SDA 线，同时保持 SCL 线为高电平。起始条件表示一次数据传输的开始。
地址传输（Address Transfer）:

传输从设备地址，这是一个 7 位或 10 位的地址。通常使用 7 位地址。
在 7 位地址的情况下，地址后面紧跟一个 R/W 位（第8位），表示读（1）或写（0）操作。
总共传输 8 位数据：7 位地址 + 1 位 R/W 位。
ACK/NACK 位（Acknowledge/Not Acknowledge Bit）:
从设备收到地址后，会在第9个时钟周期发送 ACK（低电平）或 NACK（高电平），表示地址是否匹配。
数据传输（Data Transfer）:

数据按字节传输，每字节 8 位。
每字节后面紧跟一个 ACK/NACK 位。接收方在每个字节传输结束后发送 ACK（低电平）表示数据接收成功，或者发送 NACK（高电平）表示数据接收失败或传输结束。
读/写数据传输可以是多个字节。
停止条件（Stop Condition）:
主设备拉高 SDA 线，同时保持 SCL 线为高电平。停止条件表示一次数据传输的结束。

5、总结

总结一下数据传输的关键点：
数据稳定性：在 SCL 的高电平期间，SDA 上的数据必须保持稳定，不发生变化。这是因为在 SCL 的高电平时，数据被接收方读取。
数据变化时机：SDA 上的数据变化应在 SCL 的低电平期间进行，这样数据在 SCL 的下一个高电平到来之前已经稳定，确保数据的正确读取。
数据有效性：数据在 SCL 为高电平时被视为有效，此时数据被从设备读取。
每一次发送数据过后都需要收一个ack来确认数据是否收到
在I2C中，0110这个数据是先发送最高位，然后再发送低位。（高位先发送）
四，总线仲裁
多设备仲裁方式：比特级仲裁，优先级仲裁
同步传输：所有的主设备在同一个时钟信号下同步传输数据。
发送和监控：每个主设备在发送数据位时，同时监控总线上的实际电平。
如果主设备发送的是高电平（1），但检测到总线上的电平是低电平（0），则表明有其他主设备发送了低电平（0），并且该主设备失去了仲裁。
低电平优先：在I2C总线中，低电平（0）比高电平（1）优先。
因此，当一个主设备检测到它发送的高电平（1）与总线上的实际电平（0）不一致时，它会停止传输，让发送低电平（0）的主设备继续传输。
地址优先级仲裁：
可以设置地址的优先级

6、ii2c子系统

在Linux内核中

i2c整体结构图
在i2c子系统中被分为4层，下面一层为上面一层提供服务，I²C device driver:是用于管理和操作挂载在 I²C 总线上的设备的驱动程序.
I2C Core:就是I2C核心层:提供统一的访问函数，比如i2c_transfer、i2c_smbus_xfer等, 实现`I2C总线-设备-驱动模型，管理：I2C设备(i2c_client)、I2C设备驱动(i2c_driver)、I2C控制器(i2c_adapter)
i2c controller adapter:可以理解为实现总线驱动，以及操作寄存器发送i2c信号。
6.1、i2c设备驱动
在写i2c设备驱动的驱动时候主要是两个结构体，一个是i2c_client一个是i2c_driver,这个和前面讲的platform总线模型是一样的，i2c_client和i2c_driver也是抽象出来了一个虚拟总线（struct bus_type）,在这里只讲述关于设备树和i2c_driver的注册方法，i2c_client可以直接修改设备树里面的文件，供内核解析设备树文件，并生成i2c_client，i2c_client会和i2c_driver进行匹配，如果匹配上就会调用i2c_driver里面的probe函数进行其他的操作（通常是初始化一个file_opreation结构体进行其他的操作）。i2c_client在生成驱动之前，I2c设备先会从设备树里面获得i2c adapter的总线，解析i2c adapter的总线的信息，匹配对应的驱动，然后又会去生成i2c client(挂载在这个总线下的设备)的信息，匹配对应的i2c client的驱动，在i2c client的驱动里面会注册对应的i2c adapter供上层应用调用。
下面是注册一个i2c设备的驱动和设备树
设备树
在对应的i2c总线下面加入子节点

ap3216c@1e {
			compatible = "lite-on,ap3216c";
			reg = <0x1e>;
		};

上面会自动生成i2c client,下面会生成i2c driver对应的驱动

#include "asm/uaccess.h"
#include "linux/delay.h"
#include "linux/i2c.h"
#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>

/* 主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *my_i2c_class;

static struct i2c_client *g_client;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_wait);
struct fasync_struct *i2c_fasync;