一、IIC 基礎概念
1.I2C 基礎概念
IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線 ###1.IC總線的特點
IIC總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由於接口直接在組件之上，因此IIC總線佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，並且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。IIC總線的另一個優點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進行發送和接收的設備都可以成爲主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。
2.I2C總線工作原理
a – 總線構成
IIC總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均並聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，IIC總線上並接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發送器（或接收器），這取決於它所要完成的功能。
CPU發出的控制信號分爲地址碼和控制量兩部分：
1) 地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；
2) 控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。
這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。
b – 信號類型
IIC總線在傳送數據過程中共有四種類型信號：
開始信號：SCL爲高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據；
結束信號：SCL爲高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據；
數據傳輸信號：在開始條件以後，時鐘信號SCL的高電平週期期問，當數據線穩定時，數據線SDA的狀態表示數據有效，即數據可以被讀走，開始進行讀操作。在時鐘信號SCL的低電平週期期間，數據線上數據才允許改變。每位數據需要一個時鐘脈衝。
應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據後，向發送數據的IC發出特定的低電平脈衝，表示已收到數據。CPU向受控單元發出一個信號後，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號後，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷爲受控單元出現故障。
目前有很多半導體集成電路上都集成了IIC接口。帶有IIC接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監控芯片等也提供IIC接口。
3、總線基本操作
IIC規程運用主/從雙向通訊。器件發送數據到總線上，則定義爲發送器，器件接收數據則定義爲接收器。主器件和從器件都可以工作於接收和發送狀態。 總線必須由主器件（通常爲微控制器）控制，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，併產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態僅在SCL爲低電平的期間才能改變，SCL爲高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。
a – 控制字節
在起始條件之後，必須是器件的控制字節，其中高四位爲器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應爲1010），接着三位爲片選，最後一位爲讀寫位，當爲1時爲讀操作，爲0時爲寫操作。
b – 寫操作
寫操作分爲字節寫和頁面寫兩種操作，對於頁面寫根據芯片的一次裝載的字節不同有所不同。關於頁面寫的地址、應答和數據傳送的時序。
c – 讀操作
讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最後一個讀操作的第9個時鐘週期不是“不關心”。爲了結束讀操作，主機必須在第9個週期間發出停止條件或者在第9個時鐘週期內保持SDA爲高電平、然後發出停止條件。
d – 總線仲裁
主機只能在總線空閒的時候啓動傳輸。兩個或多個主機可能在起始條件的最小持續內產生一個起始條件，結果在總線上產生一個規定的起始條件。
當SCL線是高電平時，仲裁在SDA線發生：這樣，在其他主機發送低電平時，發送高電平的主機將斷開它的數據輸出級，因爲總線上的電平和它自己的電平不同。
仲裁可以持續多位。從地址位開始，同一個器件的話接着就是數據位（如果主機-發送器），或者比較相應位（如果主機-接收器）。IIC總線的地址和數據信息由贏得仲裁的主機決定，在這個過程中不會丟失信息。
仲裁不能在下面情況之間進行：
1）重複起始條件和數據位；
2）停止條件和數據位；
3）重複起始條件和停止條件。
4、特性總結
IIC肯定是2線的(不算地線)IIC協議確實很科學,比3/4線的SPI要好,當然線多通訊速率相對就快了
IIC的原則是
a – 在SCL=1(高電平)時,SDA千萬別忽悠!!!否則,SDA下跳則”判罰”爲”起始信號S”,SDA上跳則”判罰”爲”停止信號P”.
b – 在SCL=0(低電平)時,SDA隨便忽悠!!!(可別忽悠過火到SCL跳高)
c – 每個字節後應該由對方回送一個應答信號ACK做爲對方在線的標誌.非應答信號一般在所有字節的最後一個字節後.一般要由雙方協議簽定.
d – SCL必須由主機發送,否則天下大亂
e – 首字節是”片選信號”,即7位從機地址加1位方向(讀寫)控制.從機收到(聽到)自己的地址才能發送應答信號(必須應答!!!)表示自己在線.其他地址的從機不允許忽悠!!!(當然羣呼可以忽悠但只能聽不許說話)
f – 讀寫是站在主機的立場上定義的.”讀”是主機接收從機數據,”寫”是主機發送數據給從機.
g– 重複位主要用於主機從發送模式到接收模式的轉換”信號”,由於只有2線,所以收發轉換肯定要比SPI複雜,因爲SPI可用不同的邊沿來收發數據,而IIC不行.
h – 在硬件IIC模塊,特別是MCU/ARM/DSP等每個階段都會得到一個準確的狀態碼,根據這個狀態碼可以很容易知道現在在什麼狀態和什麼出錯信息.
i – 7位IIC總線可以掛接127個不同地址的IIC設備,0號”設備”作爲羣呼地址.10位IIC總線可以掛接更多的10位IIC設備.
二、 Linux下IIC驅動架構
Linux定義了系統的IIC驅動體系結構，在Linux系統中，IIC驅動由3部分組成，即IIC核心、IIC總線驅動和IIC設備驅動。這3部分相互協作，形成了非常通用、可適應性很強的IIC框架。
1、架構層次分類
第一層：提供i2c adapter的硬件驅動，探測、初始化i2c adapter（如申請i2c的io地址和中斷號），驅動soc控制的i2c adapter在硬件上產生信號（start、stop、ack）以及處理i2c中斷。覆蓋圖中的硬件實現層
第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xferf()函數來填充i2c_algorithm的master_xfer函數指針，並把賦值後的i2c_algorithm再賦值給i2c_adapter的algo指針。覆蓋圖中的訪問抽象層、i2c核心層
第三層：實現i2c設備驅動中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設備的attach_adapter()、detach_adapter()方法賦值給i2c_driver的成員函數指針。實現設備device與總線（或者叫adapter）的掛接。覆蓋圖中的driver驅動層
第四層：實現i2c設備所對應的具體device的驅動，i2c_driver只是實現設備與總線的掛接，而掛接在總線上的設備則是千差萬別的，所以要實現具體設備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然後註冊字符設備（多數是字符設備）。覆蓋圖中的driver驅動層
第一層和第二層又叫i2c總線驅動(bus)，第三第四屬於i2c設備驅動(device driver)。
在linux驅動架構中，幾乎不需要驅動開發人員再添加bus，因爲linux內核幾乎集成所有總線bus，如usb、pci、i2c等等。並且總線bus中的(與特定硬件相關的代碼)已由芯片提供商編寫完成，例如三星的s3c-2440平臺i2c總線bus爲/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c
第三第四層與特定device相干的就需要驅動工程師來實現了.
2、Linux下I2C驅動體系結構三部分詳細分析
a – IIC核心
IIC 核心提供了IIC總線驅動和設備驅動的註冊、註銷方法，IIC通信方法（即“algorithm”，筆者認爲直譯爲“運算方法”並不合適，爲免引起誤解， 下文將直接使用“algorithm”）上層的、與具體適配器無關的代碼以及探測設備、檢測設備地址的上層代碼等。
在我們的Linux驅動的i2c文件夾下有algos，busses，chips三個文件夾，另外還有i2c-core.c和i2c-dev.c兩個文件。
i2c-core.c文件實現了I2Ccore框架，是Linux內核用來維護和管理的I2C的核心部分，其中維護了兩個靜態的List，分別記錄系統中的I2Cdriver結構和I2Cadapter結構。I2Ccore提供接口函數，允許一個I2Cadatper，I2Cdriver和I2Cclient初始化時在I2Ccore中進行註冊，以及退出時進行註銷。同時還提供了I2C總線讀寫訪問的一般接口，主要應用在I2C設備驅動中。
b – IIC總線驅動
IIC總線驅動是對IIC硬件體系結構中適配器端的實現，適配器可由CPU控制，甚至直接集成在CPU內部。總線驅動的職責，是爲系統中每個I2C總線增加相應的讀寫方法。但是總線驅動本身並不會進行任何的通訊，它只是存在那裏，等待設備驅動調用其函數。
IIC總線驅動主要包含了IIC適配器數據結構i2c_adapter、IIC適配器的algorithm數據結構i2c_algorithm和控制IIC適配器產生通信信號的函數。經由IIC總線驅動的代碼，我們可以控制IIC適配器以主控方式產生開始位、停止位、讀寫週期，以及以從設備方式被讀寫、產生ACK等。
Busses文件夾下的i2c-mpc.c文件實現了PowerPC下I2C總線適配器驅動，定義描述了具體的I2C總線適配器的i2c_adapter數據結構，實現比較底層的對I2C總線訪問的具體方法。I2Cadapter 構造一個對I2Ccore層接口的數據結構，並通過接口函數向I2Ccore註冊一個控制器。I2Cadapter主要實現對I2C總線訪問的算法，iic_xfer() 函數就是I2Cadapter底層對I2C總線讀寫方法的實現。同時I2Cadpter 中還實現了對I2C控制器中斷的處理函數。
c – IIC設備驅動
IIC設備驅動是對IIC硬件體系結構中設備端的實現，設備一般掛接在受CPU控制的IIC適配器上，通過IIC適配器與CPU交換數據。設備驅動則是與掛在I2C總線上的具體的設備通訊的驅動。通過I2C總線驅動提供的函數，設備驅動可以忽略不同總線控制器的差異，不考慮其實現細節地與硬件設備通訊。
IIC設備驅動主要包含了數據結構i2c_driver和i2c_client，我們需要根據具體設備實現其中的成員函數。
i2c-dev.c文件中實現了I2Cdriver，提供了一個通用的I2C設備的驅動程序，實現了字符類型設備的訪問接口，實現了對用戶應用層的接口，提供用戶程序訪問I2C設備的接口，包括實現open，release，read，write以及最重要的ioctl等標準文件操作的接口函數。我們可以通過open函數打開 I2C的設備文件，通過ioctl函數設定要訪問從設備的地址，然後就可以通過 read和write函數完成對I2C設備的讀寫操作。
通過I2Cdriver提供的通用方法可以訪問任何一個I2C的設備，但是其中實現的read，write及ioctl等功能完全是基於一般設備的實現，所有的操作數據都是基於字節流，沒有明確的格式和意義。爲了更方便和有效地使用I2C設備，我們可以爲一個具體的I2C設備開發特定的I2C設備驅動程序，在驅動中完成對特定的數據格式的解釋以及實現一些專用的功能。
3、重要的結構體
因爲IIC設備種類太多，如果每一個IIC設備寫一個驅動程序，那麼顯得內核非常大。不符合軟件工程代碼複用，所以對其層次話：這裏簡單的將IIC設備驅動分爲設備層、總線層。理解這兩個層次的重點是理解4個數據結構，這4個數據結構是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapter。i2c_driver、i2c_client屬於設備層；i2c_algorithm、i2c_adapter屬於總線型。如下圖：
設備層關係到實際的IIC設備，總線層包括CPU中的IIC總線控制器和控制總線通信的方法。值得注意的是：一個系統中可能有很多個總線層，也就是包含多個總線控制器；也可能有多個設備層，包含不同的IIC設備
a–i2c_client
一個設備由i2c_client數據結構進行描述：
struct i2c_client
{
unsigned short flags; //標誌位
unsigned short addr; //設備的地址，低7位爲芯片地址
char name[I2C_NAME_SIZE]; //設備的名稱，最大爲20個字節
struct i2c_adapter *adapter; //依附的適配器i2c_adapter，適配器指明所屬的總線
struct i2c_driver *driver; //指向設備對應的驅動程序
struct device dev; //設備結構體
int irq; //設備申請的中斷號
struct list_head list; //連接到總線上的所有設備
struct list_head detected; //已經被發現的設備鏈表
struct completion released; //是否已經釋放的完成量
}; 
第7位是R/W位，0表示寫，2表示讀，所以I2C設備通常有兩個地址，即讀地址和寫地址；
類型器件由中間4位組成，這是由半導體公司生產的時候就已經固化了；
自定義類型由低3位組成。由用戶自己設置；
IIC設備還有一些重要的注意事項：
1、i2c_client數據結構是描述IIC設備的“模板”，驅動程序的設備結構中應包含該結構；
2、adapter指向設備連接的總線適配器，系統可能有多個總線適配器。內核中靜態指針數組adapters記錄所有已經註冊的總線適配器設備；
3、driver是指向設備驅動程序，這個驅動程序是在系統檢測到設備存在時賦值的；
b–i2c設備驅動 i2c_driver
struct i2c_driver
{
int id; //驅動標識ID
unsigned int class; //驅動的類型
int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *); //當檢測到適配器時調用的函數
int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*); //卸載適配器時調用的函數
int (*detach_client)(struct i2c_client *) __deprecated; //卸載設備時調用的函數
//以下是一種新類型驅動需要的函數，這些函數支持IIC設備動態插入和拔出。如果不想支持只實現上面3個。要不實現上面3個。要麼實現下面5個。不能同時定義
int (*probe)(struct i2c_client *,const struct i2c_device_id *); //新類型設備探測函數
int (*remove)(struct i2c_client *); //新類型設備的移除函數
void (*shutdown)(struct i2c_client *); //關閉IIC設備
int (*suspend)(struct i2c_client *,pm_messge_t mesg); //掛起IIC設備
int (*resume)(struct i2c_client *); //恢復IIC設備
int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg); //使用命令使設備完成特殊的功能。類似ioctl（）函數
struct devcie_driver driver; //設備驅動結構體
const struct i2c_device_id *id_table; //設備ID表
int (*detect)(struct i2c_client *,int kind,struct i2c_board_info *); //自動探測設備的回調函數
const struct i2c_client_address_data *address_data; //設備所在的地址範圍
struct list_head clients; //指向驅動支持的設備
}; 結構體i2c_driver和i2c_client的關係較爲簡單，其中i2c_driver表示一個IIC設備驅動，i2c_client表示一個IIC設備。關係如下圖：
c – i2c_adapter
IIC總線適配器就是一個IIC總線控制器，在物理上連接若干個IIC設備。IIC總線適配器本質上是一個物理設備，其主要功能是完成IIC總線控制器相關的數據通信：
struct i2c_adapter
{
struct module *owner; //模塊計數
unsigned int id; //alogorithm的類型，定義於i2c_id.h中
unsigned int class; //允許探測的驅動類型
const struct i2c_algorithm *algo; //指向適配器的驅動程序
void *algo_data; //指向適配器的私有數據，根據不同的情況使用方法不同
int (*client_register)(struct i2c_client *); //設備client註冊時調用
int (*client_unregister(struct i2c_client *); //設備client註銷時調用
u8 level;
struct mutex bus_lock; //對總線進行操作時，將獲得總線鎖
struct mutex clist_lock ; //鏈表操作的互斥鎖
int timeout; //超時
int retries; //重試次數
struct device dev; //指向 適配器的設備結構體
int nr ;
struct list_head clients; //連接總線上的設備的鏈表
char name[48]; //適配器名稱
struct completion dev_released; //用於同步的完成量
}; d – i2c_algorithm
每一個適配器對應一個驅動程序，該驅動程序描述了適配器與設備之間的通信方法:
struct i2c_algorithm
{
int (*master_xfer)(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msg, int num); //傳輸函數指針，指向實現IIC總線通信協議的函數，用來確定適配器支持那些傳輸類型
int (*smbus_xfer)(struct i2c_adapter *adap, u16 addr, unsigned short flags, char read_write, u8 command, int size, union i2c_smbus_data *data); //smbus方式傳輸函數指針，指向實現SMBus總線通信協議的函數。SMBus和IIC之間可以通過軟件方式兼容，所以這裏提供了一個函數，但是一般都賦值爲NULL
u32 (*functionality)(struct i2c_adapter *); //返回適配器支持的功能
}; IIC設備驅動程序大致可以分爲設備層和總線層。設備層包括一個重要的數據結構，i2c_client。總線層包括兩個重要的數據結構，分別是i2c_adapter和i2c_algorithm。一個i2c_algorithm結構表示適配器對應的傳輸數據方法。3個數據結構關係：
IIC設備層次結構較爲簡單，但是寫IIC設備驅動程序卻相當複雜。
IIC設備驅動程序的步驟：
4、各結構體的作用與它們之間的關係
a – i2c_adapter與i2c_algorithm
i2c_adapter對應與物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應一套通信方法，一個i2c適配器需要i2c_algorithm中提供的（i2c_algorithm中的又是更下層與硬件相關的代碼提供）通信函數來控制適配器上產生特定的訪問週期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什麼也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指針。
i2c_algorithm中的關鍵函數master_xfer()用於產生i2c訪問週期需要的start stop ack信號，以i2c_msg（即i2c消息）爲單位發送和接收通信數據。
i2c_msg也非常關鍵，調用驅動中的發送接收函數需要填充該結構體
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
}; b –i2c_driver和i2c_client
i2c_driver對應一套驅動方法，其主要函數是attach_adapter()和detach_client()
i2c_client對應真實的i2c物理設備device，每個i2c設備都需要一個i2c_client來描述
2c_driver與i2c_client的關係是一對多。一個i2c_driver上可以支持多個同等類型的i2c_client.
c – i2c_adapter和i2c_client
i2c_adapter和i2c_client的關係與i2c硬件體系中適配器和設備的關係一致，即i2c_client依附於i2c_adapter,由於一個適配器上可以連接多個i2c設備，所以i2c_adapter中包含依附於它的i2c_client的鏈表。
從i2c驅動架構圖中可以看出，linux內核對i2c架構抽象了一個叫核心層core的中間件，它分離了設備驅動device driver和硬件控制的實現細節（如操作i2c的寄存器），core層不但爲上面的設備驅動提供封裝後的內核註冊函數，而且還爲小面的硬件事件提供註冊接口（也就是i2c總線註冊接口），可以說core層起到了承上啓下的作用。