嵌入式第六十六天(I2C子系统架构)

I2C通信与其他通信方式的比较

UART

串行、异步、全双工通信
适用于多台不同终端设备间的通信
典型速率：10kbps

I2C

串行、同步、半双工通信
适用于同一硬件平台上的不同芯片间通信
数据量较少时使用（如传感器）
典型速率：100kbps、400kbps、1Mbps

SPI

串行、同步、全双工通信
适用于同一硬件平台上的不同芯片间通信
数据量较大时使用（如存储、显示屏）
典型速率：1Mbps至十几Mbps

更高速率通信方式

并行传输
USB
网口（千兆速率）

I2C与SPI的区别

通信速率

SPI的速率通常高于I2C。

硬件资源占用

I2C占用资源较少，仅需SCL、SDA和GND三根线。

SPI占用资源较多，需要SCL、MOSI、MISO、CS和GND五根线。

通信模式

SPI为全双工通信，I2C为半双工通信。

I2C基础知识

I2C的线数

SCL（时钟线）、SDA（数据线）、GND（地线）。

硬件接线注意事项

SCL和SDA工作在开漏模式，必须加上拉电阻（常用阻值：4.7kΩ、10kΩ）。

软件I2C与硬件I2C

软件I2C：通过GPIO模拟I2C时序。
硬件I2C：使用I2C控制器生成时序（推荐使用硬件I2C）。

IMX6ULL的I2C控制器数量

4个I2C控制器。

I2C总线传输特性

支持一主多从，理论上支持多主多从。
通信由主机发起，一次通信方向不可改变。

I2C通信时序

起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平跳变为低电平。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平跳变为高电平。
数据发送：SCL为高电平时采样SDA，SCL为低电平时SDA变化。
每个字节传输后需发送ACK/NACK确认。

I2C总线挂载设备数量

从机地址为7位，理论上最多支持127个从机设备。

基于I2C用户空间实现传感器读取

芯片厂商已提供I2C控制器驱动，开发工作集中在应用层代码编写。通过Linux系统提供的I2C用户空间接口（如/dev/i2c-N），可直接使用ioctl或read/write等系统调用操作传感器寄存器，无需涉及内核驱动开发。

基于I2C子系统编写设备驱动

I2C子系统驱动框架分为三个核心模块：

I2C控制器驱动（i2c_adapter）

由芯片厂商（如NXP）基于Platform总线架构实现，负责硬件寄存器操作和时序控制，开发者通常无需修改。

I2C核心层（i2c_bus_type）

Linux内核提供的核心逻辑，包括总线注册、设备匹配、通信协议处理等，为设备驱动提供标准化接口。

I2C设备驱动（i2c_client）

开发者需基于I2C子系统架构实现，包括设备树配置、数据读写逻辑、与具体传感器通信的协议（如SMBus或自定义指令）。需实现probe、remove等回调函数，并通过i2c_driver结构注册到内核。

Im75_userspace.c

cs 复制代码

#include <stdio.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int fd = 0;
    unsigned char data[2];
    unsigned char regaddr = 0x00;
    unsigned char slaveaddr = 0x48;

    fd = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);
    if (-1 == fd)
    {
        perror("fail to open");
        return -1;
    }

    ioctl(fd, I2C_SLAVE, slaveaddr);

    while (1)
    {
        write(fd, &regaddr, sizeof(regaddr));
        read(fd, &data, sizeof(data));
        printf("temp = %.2lf\n", (((data[0] << 8) | data[1]) >> 7) * 0.5);
        sleep(1);
    }
    
    close(fd);

    return 0;
}

Makefile

cs 复制代码

CC := arm-linux-gnueabihf-gcc 

OBJS := lm75_userspace.c 

OBJ := lm75_userspace 

$(OBJ):$(OBJS)
	$(CC) $^ -o $@
	cp $(OBJ) ~/nfs/rootfs

.PHONY:
clean:
	rm $(OBJ)
distclean:
	rm $(OBJ)
	rm ~/nfs/rootfs/$(OBJ)