ARM嵌入式学习（二十三）--- I2C总线和SPI总线

目录

一、IIC

1、总体框架

2、核心概念详解

（1）Adapter（适配器）

（2）Client（客户端）

[（3） Driver（设备驱动）](#（3） Driver（设备驱动）)

[（4） master_xfer()](#（4） master_xfer())

[(5) IIC Core（核心层）](#(5) IIC Core（核心层）)

3、设备与驱动分离原理

4、总线驱动与设备驱动分层原理

分层架构

通信流程示例

5.代码为：

6、与Platform总线对比

二、SPI总线

和IIC相同，定义一个全局变量

结构体中的变量赋值为：

初始化和退出也和IIC一样的：

最终代码为：

三、总结

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一、IIC

1、总体框架

IIC子系统是Linux内核为了统一管理IIC（I²C）总线设备而设计的一套驱动框架。其核心目标有两个：

（1）设备与驱动分离：硬件设备（如温度传感器LM75）的描述与功能驱动代码分离，通过总线匹配。

（2）总线驱动与设备驱动分层：底层IIC控制器（硬件时序）与上层具体设备业务逻辑解耦。

结合图片，整个框架从下至上分为：

• 硬件层：IIC控制器硬件（IIC0、IIC1）

• 内核层：

  • 适配器驱动（adapter）：实现master_xfer()，负责IIC协议时序

  • IIC核心层（core）：提供通用API，管理设备/驱动匹配

  • 设备驱动层（如lm75驱动）：实现具体设备功能（如lm75_read()）

• 用户空间 ：可通过/dev/i2c-0（适配器节点）或/dev/lm75（具体设备节点）访问

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2、核心概念详解

（1）Adapter（适配器）

• 本质：代表一个IIC控制器（即一条IIC总线）。

• 对应内核结构 ：struct i2c_adapter

• 关键成员 ：master_xfer()函数指针 ------ 真正执行IIC传输的方法（产生起始、停止、时钟、数据收发）。

• 关联硬件 ：每个SoC的IIC接口（如i2c0）对应一个adapter。

（2）Client（客户端）

• 本质：代表挂接在IIC总线上的一个从设备。

• 对应内核结构 ：struct i2c_client

• 关键信息 ：从设备地址（slave addr）、所在的adapter。

• 来源：通常由设备树（dts）中的IIC子节点解析生成。例如：

  dts

  &i2c0 {
      lm75@48 {
          compatible = "national,lm75";
          reg = <0x48>;   // 从机地址
      };
  };

  内核解析后创建i2c_client，绑定到adapter0，地址为0x48。

（3） Driver（设备驱动）

• 本质：驱动具体IIC设备（如LM75温度传感器）的程序。

• 对应内核结构 ：struct i2c_driver

• 核心函数 ：probe()（匹配成功后调用）、remove()。

• 匹配方式 ：通过id_table或of_match_table与i2c_client的compatible匹配。

• 通信方法 ：调用i2c_transfer()或SMBus函数，最终由适配器的master_xfer()完成硬件传输。

（4） master_xfer()

• 这是适配器驱动必须实现的底层函数。

• 功能：按照IIC协议，在总线上执行真正的数据传输（包括发送从机地址、读写标志、数据字节、应答位等）。

• 上层设备驱动完全不关心时序细节，只需调用i2c_transfer()。

(5) IIC Core（核心层）

• 承上启下：提供i2c_transfer()、i2c_add_adapter()、i2c_add_driver()等统一接口。

• 负责管理adapter和client的注册/注销、设备与驱动的匹配、锁定、sysfs节点创建等。

• 使得adapter驱动和client驱动可以独立编译和加载。

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3、设备与驱动分离原理

这是Linux设备模型的通用思想，在IIC子系统中具体表现为：

（1）静态描述（设备） ：通过设备树或ACPI描述IIC设备的硬件属性（挂载在哪个adapter、从机地址、中断等）。内核启动时自动生成i2c_client对象。

（2）动态代码（驱动） ：开发者编写i2c_driver，只关心设备功能逻辑（如读取温度、转换数值）。

（3）匹配与绑定 ：当注册一个i2c_driver时，IIC Core会遍历所有已有的i2c_client，检查是否匹配（通常看compatible或地址）。匹配成功则调用驱动的probe()，驱动获得i2c_client指针，之后可通过它进行通信。

优点：

• 同一设备（如LM75）的驱动可以支持多个不同IIC地址或不同硬件版本，无需修改驱动。

• 多个不同设备（LM75、AT24C08）可以共用同一个adapter，而互不干扰。

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4、总线驱动与设备驱动分层原理

分层架构

层次	职责	示例
用户空间	通过文件接口访问设备	open("/dev/i2c-0") 或 open("/dev/lm75")
设备驱动层	实现具体设备的业务逻辑（如温度换算）	lm75_read() 调用 i2c_transfer()
IIC核心层	提供传输API、管理适配器和客户端、匹配机制	i2c_transfer() → 找到对应adapter → 调用其master_xfer
适配器驱动层	实现硬件相关的IIC时序	master_xfer() 操作寄存器产生SCL/SDA信号
硬件层	实际IIC控制器	IIC0, IIC1

通信流程示例

用户读取LM75温度：

1. 应用调用read(fd_lm75, ...)

2. LM75设备驱动的read函数构造一个读命令，调用i2c_transfer(client, ...)

3. IIC Core根据client->adapter找到对应的适配器，调用其master_xfer()

4. 适配器驱动操作硬件寄存器，产生IIC起始信号、发送地址0x48+读位、读取两个字节温度值、发送停止信号

5. 数据原路返回至用户空间

分层的好处：

• 更换SoC的IIC控制器时，只需重写适配器驱动，所有设备驱动完全不动。

• 新增一个IIC设备时，只需实现设备驱动，无需关心底层硬件差异。

5.代码为：

#include <linux/init.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/export.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/string.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/i2c.h>

#define DEV_NAME "lm75"
static struct i2c_client * pclient;

static int open(struct inode * node, struct file * file)
{
	printk("lm75  open...\n");
	return 0;
}

static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t len, loff_t * offset)
{
	int ret = 0;
	unsigned char data[2] = {0};
	unsigned short temp = 0;
	struct i2c_msg msg = 
	{
		.addr = pclient->addr,
		.flags = I2C_M_RD,
		.len = 2,
		.buf = data 
	};

	ret = pclient->adapter->algo->master_xfer(pclient->adapter, &msg, 1);
	if(ret < 0)
		return ret;
	temp = 	((data[0]<<8) | data[1]);
	temp = temp >> 5 ;
	ret = copy_to_user(buf, &temp, sizeof(temp));
	printk("lm75  read...\n");
	return ret;
}

static int close(struct inode * node, struct file * file)
{
	printk("lm75  close...\n");
	return 0;
}

static struct file_operations fops = 
{
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = open,
	.read = read,
	.release = close
};

static struct miscdevice misc = 
{
	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
	.name = DEV_NAME,
	.fops = &fops
};

static int probe(struct i2c_client * client, const struct i2c_device_id * id)
{
	int ret = misc_register(&misc);
	if(IS_ERR_VALUE(ret))
		goto err_misc;

	pclient = client;	

	printk("lm75 probe misc_deregister   slave addr = 0x%02x...\n", pclient->addr);
	return 0;

err_misc:
	printk("lm75  probe err  ret = %d\n", ret);
	misc_deregister(&misc);
	return ret;
}

static int remove(struct i2c_client * client)
{
	misc_deregister(&misc);
    printk("remove  lm75 misc_deregister    ##############\n");

	return 0;
}
	
static const struct of_device_id match_table[] = 
{
	[0] = {.compatible = "ti,lm75"}
};

static const struct i2c_device_id lm75_id_table[] = 
{
	[0]	= {.name = "ti,lm75"}
};

static struct i2c_driver lm75_driver = 
{
	.probe = probe,
	.remove = remove,
	.driver = 
	{
		.name = DEV_NAME,
		.of_match_table = match_table
	},
	.id_table = lm75_id_table
};

static int __init lm75_init(void)
{
	int ret = i2c_add_driver(&lm75_driver);
	if(ret < 0)
		goto err_reg;

	printk("lm75  i2c_add_driver  ...\n");
	return 0;

err_reg:
	printk("lm75  i2c_add_driver  err  ...\n");
	i2c_del_driver(&lm75_driver);
	return ret;
}

static void __exit lm75_exit(void)
{
	i2c_del_driver(&lm75_driver);
	printk("lm75  i2c_del_driver  ...\n");
}

module_init(lm75_init);
module_exit(lm75_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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6、与Platform总线对比

特性	IIC子系统	Platform总线
物理存在	真实物理总线（SCL/SDA）	虚拟总线，无物理对应
典型设备	IIC从设备（传感器、EEPROM）	片上控制器（UART、SPI、IIC控制器本身）
核心数据结构	i2c_adapter, i2c_client, i2c_driver	platform_device, platform_driver
传输方式	必须通过master_xfer()遵循IIC协议	直接读写内存映射寄存器（readl/writel）
地址概念	每个设备有从机地址（7/10位）	无设备地址，只有物理地址/中断号
分层情况	严格分层（设备驱动/核心/适配器驱动）	通常不分层，驱动直接操作硬件
典型应用场景	挂载在IIC总线上的外设	CPU集成的IP核（如IIC控制器、GPIO控制器）

二、SPI总线

和IIC相同，定义一个全局变量

结构体中的变量赋值为：

初始化和退出也和IIC一样的：

最终代码为：

#include <linux/init.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/export.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/string.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/spi/spi.h>

#define DEV_NAME "adxl345"
static struct spi_device * pspi;

static int open(struct inode * node, struct file * file)
{
	printk("adxl345  open...\n");
	return 0;
}

static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t len, loff_t * offset)
{
	printk("adxl345  read...\n");
	return 0;
}

static int close(struct inode * node, struct file * file)
{
	printk("adxl345  close...\n");
	return 0;
}

static struct file_operations fops = 
{
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = open,
	.read = read,
	.release = close
};

static struct miscdevice misc = 
{
	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
	.name = DEV_NAME,
	.fops = &fops
};

static int probe(struct spi_device * spi)
{
	int ret;
	unsigned char buf[2];

	unsigned char tx_id[2] = {0x80 | 0x00, 0x00};
	unsigned char rx_id[2] = {0};
	// 1. 设置 SPI 模式 (ADXL345 通常使用 Mode 3)
	spi->mode = SPI_MODE_3;          // CPOL=1, CPHA=1
	spi->bits_per_word = 8;

	ret = misc_register(&misc);
	if(IS_ERR_VALUE(ret))
		goto err_misc;

	pspi = spi;	

	printk("adxl345 probe misc_deregister#\n");
	return 0;

err_misc:
	printk("adxl345  probe err  ret = %d\n", ret);
	misc_deregister(&misc);
	return ret;
}

static int remove(struct spi_device * spi)
{
	misc_deregister(&misc);
	printk("remove  adxl345 misc_deregister    ##############\n");

	return 0;
}

static const struct of_device_id match_table[] = 
{
	[0] = {.compatible = "ti,adxl345"}
};

static const struct spi_device_id adxl345_id_table[] = 
{
	[0]	= {.name = "adxl345"}
};


static struct spi_driver adxl345_driver = 
{
	.probe = probe,
	.remove = remove,
	.driver = 
	{
		.name = DEV_NAME,
		.of_match_table = match_table
	},
	.id_table = adxl345_id_table
};

static int __init adxl345_init(void)
{
	int ret = spi_register_driver(&adxl345_driver);
	if(ret < 0)
		goto err_reg;

	printk("adxl345  spi_register_driver  ...\n");
	return 0;

err_reg:
	printk("adxl345  spi_register_driver  err  ...\n");
	spi_unregister_driver(&adxl345_driver);
	return ret;
}

static void __exit adxl345_exit(void)
{
	spi_unregister_driver(&adxl345_driver);
	printk("adxl345  spi_del_driver  ...\n");
}

module_init(adxl345_init);
module_exit(adxl345_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

三、总结

掌握IIC和SPI的写法就可以了