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主题：从硬件总线到驱动控制 —— I2C 协议与传感器驱动开发全解析
I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种广泛用于嵌入式设备的串行通信协议，因其低成本、简单布线和多从设备支持，成为连接各种传感器（温湿度、加速度计、压力等）、EEPROM、IO 扩展器的首选方案。
本期内容围绕 I2C 协议原理、SoC 控制器设计、Linux I2C 驱动框架、自定义传感器驱动开发及调试技巧展开。重点聚焦 I2C 控制流程、寄存器操作、中断与轮询模式、设备树配置、驱动 API 与适配实例，帮助你从硬件协议出发全面掌握 I2C 驱动能力。
🎯 本期特训结构
| 模块 | 内容概览 |
|---|---|
| I2C 总线原理 | 硬件结构、通信协议、信号时序、主从机制 |
| 控制器架构 | SoC 中 I2C 控制器模块的工作流程与寄存器解释 |
| Linux 驱动框架 | I2C adapter 与 client 机制、核心 API 解析 |
| 设备树配置 | reg、compatible、clock、scl-gpios、interrupts 等 |
| 驱动编写流程 | 编写 platform 驱动适配某一具体 I2C 传感器（如 BH1750、MPU6050） |
| 实战平台案例 | 基于 i.MX6ULL + BH1750 光照传感器完整驱动开发 |
| 常见问题与调试 | 设备不响应、时序错误、ACK 失败、挂载失败 |
📘 Part 1：I2C 协议与硬件原理
✅ 1. I2C 总线基础结构
- 两条信号线：SCL（时钟）与 SDA（数据）
- 多主多从机制：唯一地址分配，支持多个从设备
- 开漏结构：需外接上拉电阻
- 传输单位：以字节（8bit）为单位，附带 1bit ACK
✅ 2. I2C 通信流程
- 主机发送 START 信号（SDA 下降沿，SCL 高）
- 发送 7 位从设备地址 + 1 位 R/W 位
- 从机返回 ACK（拉低 SDA）
- 主机读写数据，期间每字节都需从机 ACK
- 主机发送 STOP 信号（SDA 上升沿，SCL 高）
✅ 3. 波形时序图解
START Address ACK Data ACK ... STOP| | | | | |
↓SDA 7+1bit ← 1bit 8bit ← 1bit ↑SDA
📘 Part 2：I2C 控制器硬件结构分析（以 i.MX6ULL 为例）
✅ 1. 控制器模块说明
i.MX6ULL SoC 内部包含多个 I2C 控制器（I2C1 ~ I2C4），每个控制器控制一条独立 I2C 总线。
- 基地址示例：
- I2C1：0x021A0000
- I2C2：0x021A4000
主要寄存器：
| 寄存器名 | 功能 |
|---|---|
| I2C_I2CR | 控制寄存器（使能、主从、发起 START） |
| I2C_I2SR | 状态寄存器（是否忙、ACK 等） |
| I2C_IADR | 从设备地址寄存器（用于 slave 模式） |
| I2C_I2DR | 数据寄存器（收发数据） |
| I2C_IFDR | 时钟分频器设置 |
✅ 2. 控制流程关键点
- 设置 I2C_I2CR 的 MST 和 TX 位，发起 START
- 写入地址字节，等待中断或轮询 ACK
- 写数据或读数据，操作 I2C_I2DR
- 结束后清除中断，发 STOP 信号
📘 Part 3：Linux I2C 驱动框架
✅ 1. I2C adapter 与 client
struct i2c_adapter：表示一个 I2C 控制器struct i2c_client：表示连接在 adapter 上的某个 I2C 外设
I2C 驱动注册流程：
- 控制器驱动注册 i2c_adapter（如 i2c-imx）
- 设备树声明某个 i2c 从设备节点（如 bh1750@23）
- 匹配 compatible，调用
i2c_driver.probe() - 在 probe 中获取
i2c_client，使用i2c_smbus_*()或i2c_transfer()进行通信
✅ 2. 核心通信 API
int i2c_smbus_read_byte_data(struct i2c_client *client, u8 reg);
int i2c_smbus_write_byte_data(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 val);
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);
📘 Part 4：设备树中的 I2C 配置
✅ 1. 控制器节点
&i2c1 {clock-frequency = <100000>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;status = "okay";
};
✅ 2. 从设备节点
bh1750@23 {compatible = "rohm,bh1750";reg = <0x23>;
};
属性说明：
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| reg | I2C 地址（7bit） |
| compatible | 与驱动绑定的标识 |
| clock-frequency | I2C 速率（100k/400k） |
📘 Part 5：BH1750 光照传感器驱动开发
✅ 1. 芯片说明
- I2C 地址：0x23 或 0x5C
- 单指令启动模式，输出 16bit 光照值（Lux）
- 通信流程：写启动命令 → 读 2 字节数据
✅ 2. 驱动核心结构
static int bh1750_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) {int ret;u8 cmd = 0x10; // Continuously H-Resolution Moderet = i2c_smbus_write_byte(client, cmd);if (ret < 0) return ret;msleep(180); // 等待数据稳定ret = i2c_smbus_read_word_data(client, 0x00);printk("Light = %d lux\n", be16_to_cpu(ret));return 0;
}
📘 Part 6：平台实战案例 —— i.MX6ULL + BH1750
✅ 硬件连接说明
- SCL → I2C1_SCL（对应 GPIO1_IO16）
- SDA → I2C1_SDA（对应 GPIO1_IO17）
- 外接上拉电阻 4.7kΩ 至 3.3V
✅ 步骤概览
- 修改设备树，添加 bh1750@23 节点
- 编译设备树、内核并部署至开发板
- 编写驱动模块，注册 i2c_driver
- 加载驱动后通过
dmesg打印光照值
🧪 常见问题与调试技巧
| 问题 | 可能原因 |
|---|---|
| I2C 无法通信 | 未上拉、设备地址错误、频率不兼容 |
| probe 不触发 | compatible 不匹配、reg 地址错误 |
| 读取数据不正常 | 没有正确发送启动命令或读取顺序错误 |
| 总线异常挂死 | 多主冲突或时序误配置 |
调试建议：
- 使用示波器观察 SDA/SCL 波形
- 使用
i2cdetect -y 1查看设备是否存在 - 加 log 追踪通信过程
🧠 本日知识点总结
| 分类 | 核心内容 |
|---|---|
| I2C 协议原理 | START/STOP、地址位、ACK 时序 |
| 控制器结构 | I2C_I2CR、I2DR、IFDR 配置与流程 |
| 驱动框架 | i2c_adapter、i2c_client、i2c_driver 机制 |
| 设备树配置 | clock-frequency、reg、compatible、pinctrl |
| 驱动开发 | 读写流程、smbus API 使用、i2c_transfer 应用 |
| 调试技巧 | i2cdetect 工具使用、log 跟踪、SDA/SCL 波形分析 |
✅ 总结
I2C 总线看似简单，实则涵盖了从硬件时序控制、控制器寄存器配置、协议状态转换，到 Linux 驱动注册、通信 API 使用、设备树适配的完整驱动开发链路。掌握 I2C 驱动不仅有助于理解嵌入式外设通信机制，也为后续复杂协议（如 SPI、MIPI、USB）打下坚实基础。
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