学习笔记——I2C子系统

I2C子系统

一、I2C总线基础

1. I2C总线特点

两线制：时钟线（SCL）、数据线（SDA）
空闲状态：SCL和SDA均为高电平
多主多从：支持多个主设备和多个从设备
地址寻址：每个从设备有唯一的7位地址

2. I2C通信时序

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开始信号：SCL高电平期间，SDA由高变低
数据传送：SCL低电平时数据可以变化，SCL高电平时数据必须稳定
应答信号：每传送8位数据后，接收方在第9个时钟周期拉低SDA
停止信号：SCL高电平期间，SDA由低变高

二、Linux I2C子系统架构

1. 子系统分层结构

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应用层
    ↓
I2C设备驱动层（lm75.c、at24c08等）
    ↓
I2C核心层（I2C Core）
    ↓
I2C总线驱动层（I2C Adapter）
    ↓
硬件层（I2C控制器）

2. 各层功能说明

(1) 硬件层

I2C控制器：硬件电路，产生I2C时序
I2C设备：如LM75温度传感器、AT24C08 EEPROM等

(2) I2C总线驱动层

I2C Adapter：I2C控制器驱动程序
主要功能：
- 初始化I2C控制器硬件
- 实现I2C时序收发算法
- 提供master_xfer()传输函数

(3) I2C核心层

I2C Core：核心管理层
主要功能：
- 管理I2C总线驱动和设备驱动
- 提供注册/注销接口
- 处理I2C设备匹配

(4) I2C设备驱动层

设备驱动：具体I2C设备的驱动程序
主要功能：
- 实现设备特定的读写逻辑
- 提供文件操作接口（open/read/write/close）
- 解析设备数据

三、I2C设备驱动分析 (`lm75.c`)

1. I2C驱动框架

(1) I2C驱动结构体

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static struct i2c_driver lm75_driver = 
{
    .probe = probe,              // 设备探测函数
    .remove = remove,            // 设备移除函数
    .driver = 
    {
        .name = DEV_NAME,        // 驱动名称
        .of_match_table = of_lm75_table  // 设备树匹配表
    },
    .id_table = lm75_table       // 设备ID表
};

(2) 设备匹配表

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// 设备树匹配表
static const struct of_device_id of_lm75_table[] = 
{
    {.compatible = "ti,lm75"},  // 与设备树中的compatible匹配
    {}
};

// 设备ID表
static const struct i2c_device_id lm75_table[] = 
{
    {.name = "ti,lm75"},
    {}
};

2. 驱动注册与注销

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// 注册I2C驱动
static int __init lm75_driver_init(void)
{
    int ret = i2c_add_driver(&lm75_driver);
    return ret;
}

// 注销I2C驱动
static void __exit lm75_driver_exit(void)
{
    i2c_del_driver(&lm75_driver);
}

3. 设备探测函数 (`probe`)

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static int probe(struct i2c_client * client, const struct i2c_device_id * device)
{
    int ret = misc_register(&misc_dev);  // 注册杂项设备
    lm75_client = client;                // 保存client指针
    printk("lm75 probe\n");
    return 0;
}

参数说明：

client：I2C客户端结构体，包含设备地址等信息
device：匹配的设备ID

4. I2C数据传输

(1) I2C消息结构体

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struct i2c_msg msg = 
{
    .addr = lm75_client->addr,  // 从设备地址
    .flags = I2C_M_RD,          // 读标志
    .len = 2,                   // 数据长度
    .buf = temp                 // 数据缓冲区
};

(2) 执行I2C传输

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// 使用I2C控制器算法进行传输
lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &msg, 1);

流程：

填充i2c_msg结构体
调用adapter的master_xfer()函数
控制器硬件执行I2C时序

(3) 读取温度数据

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static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t size, loff_t * loff)
{
    unsigned char temp[2] = {0};
    
    // 1. 设置I2C消息
    struct i2c_msg msg = {...};
    
    // 2. 执行I2C读操作
    lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &msg, 1);
    
    // 3. 将数据复制到用户空间
    ret = copy_to_user(buf, temp, sizeof(temp));
    
    return sizeof(temp);
}

四、I2C应用程序分析

1. 直接访问I2C设备 (`iic_lm75.c`)

(1) 打开I2C适配器

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int fd = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);  // 打开I2C适配器

(2) 设置从设备地址

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ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);  // 设置LM75的从设备地址

地址说明：

LM75默认地址：0x48
通过A0-A2引脚可以改变地址

(3) 读取温度数据

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// 1. 读取2字节温度数据
int ret = read(fd, temp, sizeof temp);

// 2. 温度值计算
float t = 0.5 * ((temp[0] << 8 | temp[1]) >> 7);

数据格式：

LM75温度数据为16位
高9位为温度值，每个单位代表0.5°C
需要右移7位后乘以0.5得到实际温度

2. 通过设备驱动访问 (`lm75_app.c`)

(1) 打开设备驱动

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int fd = open("/dev/lm75", O_RDWR);  // 打开LM75设备驱动

区别：

不需要设置从设备地址
不需要关心I2C时序细节
驱动已经封装了设备访问逻辑

(2) 读取温度数据

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// 直接读取处理好的数据
int ret = read(fd, temp, sizeof temp);
float t = 0.5 * ((temp[0] << 8 | temp[1]) >> 7);

五、两种访问方式的对比

1. 直接访问I2C适配器

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应用程序
    ↓
open("/dev/i2c-0")     ← 打开I2C控制器
    ↓
ioctl(I2C_SLAVE, 0x48) ← 设置从设备地址
    ↓
read/write()           ← 直接读写I2C总线
    ↓
硬件I2C控制器

特点：

需要应用程序了解I2C协议
需要设置从设备地址
需要处理原始数据
灵活性高，但编程复杂

2. 通过设备驱动访问

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应用程序
    ↓
open("/dev/lm75")      ← 打开设备驱动
    ↓
read/write()           ← 调用设备操作函数
    ↓
LM75设备驱动           ← 封装I2C访问逻辑
    ↓
硬件I2C控制器

特点：

应用程序无需了解I2C协议细节
驱动处理数据解析
接口简单易用
代码复用性好

六、设备树配置示例

1. I2C控制器配置

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i2c0: i2c@4000000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-i2c";
    reg = <0x4000000 0x1000>;
    interrupts = <GIC_SPI 12 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&clks IMX6UL_CLK_I2C1>;
    status = "okay";
    
    /* I2C设备列表 */
    lm75: lm75@48 {
        compatible = "ti,lm75";
        reg = <0x48>;
    };
    
    eeprom: at24c08@50 {
        compatible = "atmel,at24c08";
        reg = <0x50>;
    };
};

2. 关键属性说明

compatible：与驱动匹配的兼容字符串
reg：设备地址（7位地址）
每个I2C设备作为I2C控制器的子节点

七、I2C子系统工作流程

1. 驱动匹配流程

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设备树：i2c0节点 → lm75子节点（compatible="ti,lm75"）
                ↓
I2C核心：扫描设备树，创建i2c_client
                ↓
驱动注册：i2c_add_driver(&lm75_driver)
                ↓
匹配检查：compatible匹配
                ↓
执行probe：注册设备，初始化硬件

2. 数据传输流程

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应用程序：read(/dev/lm75)
                ↓
设备驱动：read函数
                ↓
构造i2c_msg：地址、数据、方向
                ↓
调用master_xfer：I2C控制器算法
                ↓
硬件I2C控制器：产生时序波形
                ↓
LM75芯片：响应请求，返回数据

3. 温度值计算原理

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// LM75温度数据格式
// 字节0：高8位，字节1：低8位
// 实际温度值在高9位中
temp[0]: D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8
temp[1]: D7  D6  D5  D4  D3  D2  D1  D0

// 合并两个字节
int16_t raw_data = (temp[0] << 8) | temp[1];

// 右移7位，保留高9位
int16_t temp_value = raw_data >> 7;

// 转换为实际温度（每个单位0.5°C）
float temperature = temp_value * 0.5;

// 简化公式
float t = 0.5 * ((temp[0] << 8 | temp[1]) >> 7);

总结：

I2C子系统分层：设备驱动层 → 核心层 → 总线驱动层 → 硬件层
两种访问方式：直接访问I2C适配器 vs 通过设备驱动访问
设备驱动框架：基于i2c_driver结构体，实现probe/remove函数
数据传输：通过i2c_msg结构体和master_xfer()函数
设备树配置：I2C设备作为I2C控制器的子节点，配置地址和兼容性
温度计算：LM75温度数据需要特殊格式转换

学习笔记——I2C子系统

I2C子系统

一、I2C总线基础

1. I2C总线特点

2. I2C通信时序

二、Linux I2C子系统架构

1. 子系统分层结构

2. 各层功能说明

(1) 硬件层

(2) I2C总线驱动层

(3) I2C核心层

(4) I2C设备驱动层

三、I2C设备驱动分析 (lm75.c)

1. I2C驱动框架

(1) I2C驱动结构体

(2) 设备匹配表

2. 驱动注册与注销

3. 设备探测函数 (probe)

4. I2C数据传输

(1) I2C消息结构体

(2) 执行I2C传输

(3) 读取温度数据

四、I2C应用程序分析

1. 直接访问I2C设备 (iic_lm75.c)

(1) 打开I2C适配器

(2) 设置从设备地址

(3) 读取温度数据

2. 通过设备驱动访问 (lm75_app.c)

(1) 打开设备驱动

(2) 读取温度数据

五、两种访问方式的对比

1. 直接访问I2C适配器

2. 通过设备驱动访问

六、设备树配置示例

1. I2C控制器配置

2. 关键属性说明

七、I2C子系统工作流程

1. 驱动匹配流程

2. 数据传输流程

3. 温度值计算原理

三、I2C设备驱动分析 (`lm75.c`)

3. 设备探测函数 (`probe`)

1. 直接访问I2C设备 (`iic_lm75.c`)

2. 通过设备驱动访问 (`lm75_app.c`)