I2C总线协议和控制器解析

I2C总线协议

1.1 I2C总线知识

1.1.1 I2C总线物理拓扑结构

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

1.1.2 I2C总线特征

    I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)，主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。

    I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。

    I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。

    I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

1.1.3 I2C总线协议

I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。如图所示：

在了解起始条件和停止条件后，我们再来看看在这个过程中数据的传输是如何进行的。前面我们已经提到过，数据传输以字节为单位。主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位，此时才认为一个字节真正的被传输完成。当然，并不是所有的字节传输都必须有一个应答位，比如：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否定应答位。数据传输的过程如图所示：

    在前面我们还提到过，I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址，主从设备之间的数据传输是建立在地址的基础上，也就是说，主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址，地址指定的过程和上面数据传输的过程一样，只不过大多数从设备的地址是7位的，然后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来数据传输的方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据。如图所示：

1.1.4 I2C总线操作

    对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下三种操作情况：

    第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

第三，主设备往从设备中写数据，然后重启起始条件，紧接着从从设备中读取数据；或者是主设备从从设备中读数据，然后重启起始条件，紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

第三种操作在单个主设备系统中，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

i2c adapter、i2c总线控制器、I2C bus

i2c adapter是软件上抽象出来的i2c总线控制器接口
物理上一条i2c总线可以挂接多个硬件设备(slave)，一个CPU可以挂接多条i2c总线(想象一下PCI总线) i2c总线控制器就是CPU访问I2C总线的硬件接口，也就是你说的那几个寄存器

Linux I2C框架搞那么复杂是为了通用性及为了符合Linux内核驱动模式而制定的。

简单点了，你的开发板上有几个I2C接口，就有几个adapter , 也就是有几条I2C bus， I2C CLIENT 对应的就是你的外围I2C 设备，有几个就有几个CLIENT ,

把这些设备插入开发板，对应其中的一条BUS, 那么相应的就对应了其中的一个ADAPTER , 接下来的就是 CLIENT 与 ADAPTER 配成对了，后面就是做该做的事了

一个I2C设备驱动的开发过程。实现的关键分为两个部分，1. 对I2C core的接口，必须实现struct i2c_drvier数据结构中的几个特定的功能函数。这些函数是I2C驱动与I2C总线物理层（I2C控制器）和I2C设备器件之间通信的基础。2. 对用户应用层的接口，必须实现struct file_operation数据结构中的一些特定功能的函数，如 open ，release , read ,write，lseek等函数。以上两类接口中，对I2C core的接口是对I2C设备访问的基础，实现对I2C总线具体的访问方法；对用户应用层的接口则是方便应用程序开发，实现设备特定功能的必不可少的部分。

对I2C core层的接口函数的具体功能解释如下：

attach_adapter：I2C driver在调用I2C_add_driver() 注册时，对发现的每一个I2C adapter（对应一条I2C 总线）都要调用该函数，检查该I2C adapter是否符合I2C driver的特定条件，如果符合条件则连接此I2C adapter，并通过I2C adapter 来实现对 I2C总线及 I2C设备的访问。

detach_client：I2C driver在删除一个I2C device时调用该函数，清除描述这个I2C device的数据结构，这样以后就不能访问该设备了。

command：针对设备的特点，实现一系列的子功能，是用户接口中的ioctl功能的底层实现

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