《嵌入式驱动（十一）：I2C子系统架构》

一、通信协议

        I2c，是一种硬件设备常用的通信方式。

        1. 几种通信形式的比较

**tips：

        串行：硬件结构简单、低速通信、超高速通信

        并行：硬件结构复杂、高速通信

        同步：通信双方时钟保持一致

        异步：双方各自拥有独立的时钟信号

        全双工：有收发俩根线

        半双工：只有一根线，不能同时收发

                1） UART：串行，异步，全双工通信；多台不同终端设备间的通信；波特率为115200时，速率为10k（一位起始信号+8位数据位+1位停止位）；

                可以通过MAX232和MAX485芯片进行增压，实现远距离传输。

                RS232点对点（一对一），主要用于上位机和下位机的通信

                RS485总线（一对多）

                2） I2C:串行，同步，半双工通信；同一硬件平台，不同芯片间的通信；数据量较少时使用I2C（传感器）；100k、400k、1M；

                3） SPI：串行，同步，全双工通信；同一硬件平台，不同芯片间的通信；数据量较大时使用SPI（存储、显示屏）；1M - 十几M；

                4）速率更快的方式；并行传输；USB；网口（千M）；

        2. I2C与SPI之间的区别

                1）通信速率：
SPI  > I2C
2. I2C占用的硬件资源较少
1） I2c需要SCL、SDA、GND
2） SPI占用的硬件资源较多SCL、MOSI、MISO、CS、 GND
3） SPI全双工、I2C半双工

        3. I2C基础知识

                        1）I2C有几根线？
SCL、SDA、GND

                        2）I2C硬件接线有哪些需要注意事项？
I2C SCL和SDA工作在开漏模式，必须加上拉电阻（1k - 10k,常用的有4.7k、10k）

                        3） 软件I2C还是硬件I2C？
拿GPIO模拟I2C时序，称为软件I2C；使用I2c控制器生成I2C时序，称为硬件I2C （我们使用硬件I2C）

                        4）IMX6uLL有几个I2c控制器?
4个I2C控制器

                        5）I2C总线传输？
通信时只支持一主多从，理论上支持多主多从

                        6） I2C通信时序？
主机提供SCL时钟信号
I2C通信只能由主机发起
一次I2C通信方向不能改变
起始信号：SCL为高，SDA由高到低
结束信号：SCL为高，SDA由低到高
发送数据信号：
SCL为高，SDA采样；SCL为低，SDA变化
I2C通信每传输1个字节，需要发送ACK/NACK

                        7） I2C总线上面可以挂多少个设备？
每个设备都要有从机地址，从机地址是7位, 2^7 -1 （有一位是广播地址）  127个从机

                        8） I2C通信过程

                                写1个字节 

                                写多个字节

                                读1个字节

                                读多个字节

                        9） 基于I2c UserSpace空间实现传感器读取：
I2c控制器驱动由芯片厂商已经写好了，所以我们编写应用层代码

                        10）基于I2c子系统编写 设备驱动：
编写I2c子系统驱动框架分为3个大的功能结构：
I2c控制器驱动（i2c_adapter）,NXP已经写好,基于platform总线结构编写的
I2c核心层 （i2c_bus_type）,Linux系统编写
I2c设备驱动（i2c_client）,由我们编写，基于i2c子系统架构编写

二、连接方式

三、函数接口

        1.ioctl(fd, I2C_SLAVE, addr)
将指定的 I2C 设备文件描述符（fd）绑定到特定从机地址（addr），后续的读写操作均针对该地址设备，使用前需确保已包含 <linux/i2c-dev.h> 头文件。

        2.i2c_add_driver 向I2c子系统注册驱动，并触发设备匹配流程

        i2c_add_driver(driver);
3.i2c_del_driver 注销I2c驱动，释放资源并解除设备绑定

        void i2c_del_driver(struct i2c_driver *driver);
4.i2c_transfer 执行单次或多次I2C消息传输，适用于复杂时序操作

        int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);
5.i2c_master_send 封装单次写操作，适用于简单数据发送

        int i2c_master_send(const struct i2c_client *client, const char *buf, int count);
6.i2c_master_recv 封装单次读操作，适用于简单数据读取

        int i2c_master_recv(const struct i2c_client *client, char *buf, int count);

四、步骤

1. I2C驱动框架介绍（I2C子系统）

                i2c_hardware层：具体硬件层（I2C传感器）

                i2c_adapter:i2c适配器层，驱动厂家实现

                i2c_core：i2c核心层，提供i2c设备和驱动的注册、匹配及通信方法

                i2c_client/i2c_driver：遵循platform设备驱动分离思想，匹配成功之后执行probe函数

        I2C传感器挂载在对应的I2C总线上，I2C适配器层驱动由芯片厂家实现，I2C核心层用来管理I2C设备和驱动的注册、匹配以及I2C通信方法。设备驱动层通过将i2c总线上的设备和驱动匹配，执行probe函数。应用层调用驱动层接口实现i2c的读取写入

        2.I2C子系统中，device和driver匹配的过程

                I2c子系统中主要分为三部分：设备I2c_device、总线I2c_bus_type、驱动I2c_driver，总线中有一个match回调函数能够对设备与驱动进行匹配，匹配方法：
（1）根据设备树中的compatible字段与驱动中的of_match_table匹配

        （2）ACPI匹配，常用于X86平台

        （3）驱动中id_table与设备名匹配

        3.流程

         I2c控制器驱动（NXP写好），我们要写的是 I2c设备驱动。控制器驱动：基于platform总线架构NXP写的驱动，然后设备树中配置节点，把状态设置为ok，匹配成功后执行probe，最终在I2C核心层（I2C-core）中生成i2c_adapter。接着在设备树中配置自己的设备，和我们自己写的驱动进行匹配，就会生成I2C_client给我们自己的驱动，我们可以通过重写fops来对i2c_client完成一些通信的编写。最后应用层就可以调用他。

五、代码

        1.lm75a_drv.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <asm/uaccess.h>static struct i2c_client *lm75_client = NULL;static ssize_t lm75_read(struct file *fp, char __user *puser, size_t n, loff_t *off)
{   int ret = 0;unsigned long nret = 0;struct i2c_msg sendmsg;struct i2c_msg recvmsg;unsigned char regaddr = 0x00;unsigned char tempdata[2] = {0};sendmsg.addr = lm75_client->addr;       //lm75从机地址sendmsg.flags = 0;                      //读写标志 0 表示写sendmsg.buf = &regaddr;                 //发送数据（LM75存放温度的寄存器地址）sendmsg.len = 1;                        //发送数据长度 1ret = i2c_transfer(lm75_client->adapter, &sendmsg, 1); if (nret < 0) {pr_info("i2c_transfer failed\n");return -1;}recvmsg.addr = lm75_client->addr;       //lm75从机地址recvmsg.flags |= I2C_M_RD;              //读写标志 I2C_M_RD表示读recvmsg.buf = tempdata;                 //存放读取到的数据空间recvmsg.len = sizeof(tempdata);         //读取数据的字节数ret = i2c_transfer(lm75_client->adapter, &recvmsg, 1); if (nret < 0) {pr_info("i2c_transfer failed\n");return -1;}nret = copy_to_user(puser, tempdata, 2);if (nret) {pr_info("copy_to_user failed\n");return -1;}return 2;
}static struct file_operations fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = lm75_read,
};static struct miscdevice misc_lm75 = {.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.name = "misc_lm75",.fops = &fops,
};static int lm75_probe(struct i2c_client *pclient, const struct i2c_device_id *pdevid)
{int ret = 0;lm75_client = pclient;ret = misc_register(&misc_lm75);if (ret) {pr_info("misc_register failed\n");return -1;}pr_info("probe ok\n");return 0;
}static int lm75_remove(struct i2c_client *pclient)
{int ret = 0;ret = misc_deregister(&misc_lm75);if (ret) {pr_info("misc_deregister failed\n");return -1;}pr_info("remove ok\n");return 0;
}static struct i2c_device_id lm75_id_table[] = {{.name = "putelm75"},{},
};static struct of_device_id lm75_of_match_table[] = {{.compatible = "pute,putelm75"},{},
};static struct i2c_driver lm75_drv = {.probe = lm75_probe,.remove = lm75_remove,.driver = {.name = "putelm75",.of_match_table = lm75_of_match_table,},.id_table = lm75_id_table,
};module_i2c_driver(lm75_drv)MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("pute");

        2.lm75a_app.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(void)
{int fd = 0;unsigned char data[2] = {0};double temp = 0.0;fd = open("/dev/misc_lm75", O_RDWR);if (-1 == fd){perror("fail to open");return -1;}while (1){read(fd, data, 2);temp = ((((data[0] << 8)) | data[1]) >> 7) * 0.5;printf("temp = %.2lf\n", temp);sleep(1);}close(fd);return 0;
}