【Linux驱动开发】第17天：I2C子系统整体架构

1. 什么是I2C？

I2C（Inter-Integrated Circuit）是嵌入式系统中最常用的低速串行总线，用于连接各种低速外设，如触摸屏、传感器、EEPROM、RTC时钟等。

1.1 I2C总线核心概念

概念	说明
I2C适配器（主设备）	发起所有通信，控制整个总线的时钟与数据传输
I2C从设备	被动响应主设备的请求，不能主动发起通信
I2C总线	由SCL和SDA两根信号线构成的物理通信通道
SCL时钟线	由主设备驱动，为总线提供同步时钟信号
SDA数据线	双向数据线，主从设备通过它传输数据
从设备地址	每个从设备唯一的7位标识，用于总线寻址

1.2 I2C通信流程

I2C总线上的数据传输遵循严格的主从通信协议，具体流程如下：

起始条件（START Condition）：主设备将SDA线从高电平拉低，同时SCL线保持高电平，标志一次通信的开始
发送从设备地址与读写位：主设备发送7位从设备地址，随后发送1位读写控制位（0表示写操作，1表示读操作）
从设备应答（ACK）：地址匹配的从设备在第9个SCL周期将SDA线拉低，发送应答信号确认连接
数据传输：主从设备之间按字节传输数据，每传输一个字节后接收方发送ACK应答，直至数据发送完毕
停止条件（STOP Condition）：主设备将SDA线从低电平拉高，同时SCL线保持高电平，标志通信结束，释放总线

1.3 I2C总线时序图

下面展示一次完整的I2C写操作时序，包含起始条件、从设备地址、读写位、应答、数据和停止条件：
从设备 I2C总线（SCL/SDA）主设备（适配器）从设备 I2C总线（SCL/SDA）主设备（适配器） #mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG p{margin:0;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .labelText,#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .loopText,#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .noteText,#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG .actor-man circle,#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-70FUa5ha93g3YaaG :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} ① 起始条件：SDA先拉低，SCL保持高 ② 发送7位从设备地址 + 1位读写位 ③ 从设备应答（ACK） ④ 数据传输（每字节后跟ACK） ⑤ 停止条件：SDA先拉高，SCL保持高 SDA ↓（SCL高电平）发送地址位 A6~A0 + R/W（0=写）第9个SCL周期拉低SDA 发送数据字节 D7~D0 ACK应答 SDA ↑（SCL高电平）

时序说明：

起始条件：SCL为高电平时，SDA从高电平切换到低电平
地址发送：主设备在SCL每个时钟周期发送1位数据，先发送最高位（MSB）
应答位：每个字节传输完成后，接收方在第9个SCL周期将SDA拉低表示应答
停止条件：SCL为高电平时，SDA从低电平切换到高电平
整个通信过程中，SDA数据只能在SCL低电平时变化，SCL高电平时SDA必须保持稳定

2. I2C硬件基础：两根线搞定所有通信

I2C总线只需要两根线就能连接上百个设备，这是它最大的优势：

SCL（Serial Clock）：串行时钟线，由主设备控制，同步数据传输
SDA（Serial Data）：串行数据线，主从设备双向传输数据

核心特性

主从架构：同一时间只能有一个主设备，多个从设备共享总线
唯一地址：每个从设备有一个7位的唯一地址（部分设备支持10位地址）
半双工通信：同一时间只能单向传输数据
低速总线：标准模式100kbps，快速模式400kbps，高速模式3.4Mbps
总线仲裁：多个主设备同时发起通信时，通过仲裁机制决定谁先使用总线

3. Linux I2C子系统三层架构详解

Linux内核将I2C子系统设计为三层架构，实现了硬件与软件的解耦，极大提高了驱动的复用性和可移植性。

三层架构总览

层级	名称	定位	核心职责
第一层	适配器驱动层（Adapter Driver）	最底层，直接操作硬件	初始化控制器、收发数据、处理中断
第二层	核心层（I2C Core）	中间层，承上启下	提供通用API、管理总线与设备模型
第三层	从设备驱动层（Client Driver）	最上层，面向外设	实现具体外设功能（触摸屏、传感器等）

3.1 第一层：I2C适配器驱动层（Adapter Driver）

定位：最底层，直接和硬件打交道
职责：实现I2C控制器的硬件操作，包括初始化控制器、发送数据、接收数据、处理中断等
本质：一个 platform 驱动，因为I2C控制器是SoC平台自带的外设
RK3399对应 ：drivers/i2c/busses/i2c-rk3x.c，这是瑞芯微所有平台通用的I2C控制器驱动

核心工作：将内核通用的I2C消息转换为具体控制器能识别的硬件操作，对上层屏蔽硬件差异。

3.2 第二层：I2C核心层（I2C Core）

定位：中间层，连接适配器驱动和从设备驱动的桥梁
职责：
1. 提供通用的I2C核心API，对上层屏蔽底层硬件差异
2. 管理I2C总线和设备，负责总线的注册、注销和设备的枚举
3. 实现I2C设备模型，将I2C设备和驱动关联起来
核心文件 ：drivers/i2c/i2c-core.c
对驱动开发者的意义：我们写I2C从设备驱动时，只需要调用核心层提供的API，不需要关心底层控制器的具体实现

3.3 第三层：I2C从设备驱动层（Client Driver）

定位：最上层，和具体的外设打交道
职责：实现具体外设的功能，如触摸屏的坐标读取、传感器的数据采集等
本质：一个 i2c_driver，通过I2C总线和从设备通信
常见例子 ：
- FT5x06 触摸屏驱动
- MMA7660 加速度传感器驱动
- RX8010 RTC驱动

核心工作：调用核心层提供的API，向I2C从设备发送命令和读取数据，实现外设的具体功能。

小结：适配器与从设备的关系及分层优势

核心关系：一个I2C适配器对应一条I2C总线，一条总线上可挂多个从设备（最多127个），每个从设备有唯一7位地址。适配器是主设备，主动发起通信；从设备被动响应。

分层优势：

硬件与软件解耦：从设备驱动不关心底层SoC型号，更换控制器只需改适配器驱动
代码复用性高：适配器驱动被所有从设备共享，核心层API被所有I2C驱动复用
可移植性强：从设备驱动可轻松移植到任何有对应适配器驱动的平台
易于维护扩展：新增控制器只需写适配器驱动，新增外设只需写从设备驱动

4. 实操：RK3399原生I2C控制器设备树解析

现在结合飞凌OK3399-C设备树，解析RK3399原生I2C控制器的设备树节点。

4.1 定位RK3399 I2C节点

RK3399的I2C控制器定义在rk3399.dtsi中，板级DTS（rk3399-ok3399-c.dts）中根据实际硬件配置启用或禁用对应的I2C总线。

在设备树中搜索i2c，可以找到以下启用的I2C节点：

dts 复制代码

&i2c0 {
    status = "okay";
    i2c-scl-rising-time-ns = <168>;
    i2c-scl-falling-time-ns = <4>;
    clock-frequency = <400000>;

    rk808: pmic@1b {
        compatible = "rockchip,rk808";
        reg = <0x1b>;
        // ... PMIC其他配置
    };
};

&i2c1 {
    status = "okay";
    i2c-scl-rising-time-ns = <300>;
    i2c-scl-falling-time-ns = <15>;

    polytouch: edt-ft5x06@38{
        compatible = "edt,edt-ft5406", "edt,edt-ft5x06";
        reg = <0x38>;
        // ... 触摸屏其他配置
    };

    gs_mma7660: gs-mma7660@4c{
        compatible = "gs_mma7660";
        reg = <0x4c>;
        // ... 加速度传感器其他配置
    };

    rtc@32 {
        compatible = "rx8010";
        reg = <0x32>;
        // ... RTC其他配置
    };
};

&i2c2 {
    status = "okay";
    i2c-scl-rising-time-ns = <300>;
    i2c-scl-falling-time-ns = <15>;

    wm8960: wm8960@1a {
        compatible = "wlf,wm8960";
        reg = <0x1a>;
        // ... 音频Codec其他配置
    };
};

&i2c7 {
    status = "okay";
    i2c-scl-rising-time-ns = <300>;
    i2c-scl-falling-time-ns = <15>;

    fusb0: fusb30x@22 {
        compatible = "fairchild,fusb302";
        reg = <0x22>;
        // ... USB PD芯片其他配置
    };
};

4.2 逐行解析I2C控制器节点

以i2c1为例，逐行解析每个属性的含义：

dts 复制代码

&i2c1 {
    status = "okay";  // 启用该I2C总线
    i2c-scl-rising-time-ns = <300>;  // SCL时钟上升沿时间，单位纳秒
    i2c-scl-falling-time-ns = <15>;  // SCL时钟下降沿时间，单位纳秒
    clock-frequency = <400000>;  // 总线时钟频率，400kHz（快速模式）

    // 挂在i2c1总线上的从设备节点
    polytouch: edt-ft5x06@38{
        compatible = "edt,edt-ft5406", "edt,edt-ft5x06";  // 驱动匹配字符串
        reg = <0x38>;  // 从设备地址：0x38（7位地址）
        interrupt-parent = <&gpio1>;  // 中断父控制器
        interrupts = <RK_PC6 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;  // 中断配置
        // ... 其他从设备特定属性
    };
};

4.3 从设备节点核心属性

所有I2C从设备节点都必须包含以下两个核心属性：

compatible：与从设备驱动匹配的字符串
reg：从设备的7位I2C地址（注意：不是8位地址，不需要左移）

4.4 如何添加自己的I2C从设备节点

如果需要在OK3399-C上添加一个新的I2C设备，只需要在对应的I2C总线节点下添加从设备节点即可。

示例：在i2c1总线上添加一个地址为0x50的EEPROM设备：

dts 复制代码

&i2c1 {
    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;  // EEPROM的I2C地址
        status = "okay";
    };
};

5. 常用I2C核心API速览

编写I2C从设备驱动时，最常用的核心API有以下几个：

5.1 从设备驱动注册/注销

c 复制代码

// 注册I2C从设备驱动
int i2c_add_driver(struct i2c_driver *driver);

// 注销I2C从设备驱动
void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver);

// 简化宏，自动生成module_init和module_exit
module_i2c_driver(driver);

5.2 数据读写API

c 复制代码

// 从从设备的指定寄存器读取一个字节
u8 i2c_smbus_read_byte_data(const struct i2c_client *client, u8 command);

// 向从设备的指定寄存器写入一个字节
int i2c_smbus_write_byte_data(const struct i2c_client *client, u8 command, u8 value);

// 从从设备的指定寄存器读取多个字节
int i2c_smbus_read_i2c_block_data(const struct i2c_client *client, u8 command, u8 length, u8 *values);

// 向从设备的指定寄存器写入多个字节
int i2c_smbus_write_i2c_block_data(const struct i2c_client *client, u8 command, u8 length, const u8 *values);

5.3 通用传输API

c 复制代码

// 通用I2C消息传输函数，可以发送任意数量的消息
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

6. 核心总结+思维导图

6.1 核心总结

I2C本质：主从架构的低速串行总线，只用两根线就能连接多个外设
三层架构 ：
- 适配器驱动层：直接操作I2C控制器硬件
- 核心层：提供通用API，管理总线和设备
- 从设备驱动层：实现具体外设的功能
核心关系：一个适配器对应一条总线，一条总线上可以挂多个从设备，每个从设备有唯一地址
设备树规则 ：
- I2C控制器节点在rk3399.dtsi中定义
- 板级DTS中启用需要的总线并添加从设备节点
- 从设备节点必须包含compatible和reg属性
驱动开发：编写I2C从设备驱动时，只需要调用核心层提供的API，不需要关心底层控制器的实现

【Linux驱动开发】第17天：I2C子系统整体架构

目录

1. 什么是I2C？

1.1 I2C总线核心概念

1.2 I2C通信流程

1.3 I2C总线时序图

2. I2C硬件基础：两根线搞定所有通信

核心特性

3. Linux I2C子系统三层架构详解

三层架构总览

3.1 第一层：I2C适配器驱动层（Adapter Driver）

3.2 第二层：I2C核心层（I2C Core）

3.3 第三层：I2C从设备驱动层（Client Driver）

小结：适配器与从设备的关系及分层优势

4. 实操：RK3399原生I2C控制器设备树解析

4.1 定位RK3399 I2C节点

4.2 逐行解析I2C控制器节点

4.3 从设备节点核心属性

4.4 如何添加自己的I2C从设备节点

5. 常用I2C核心API速览

5.1 从设备驱动注册/注销

5.2 数据读写API

5.3 通用传输API

6. 核心总结+思维导图

6.1 核心总结

6.2 思维导图总结