1. I2C框架与协议
1.1 硬件框架
- 在一个芯片(SoC)内部，有一个或多个 I2C 控制器
- 在一个 I2C 控制器上，可以连接一个或多个 I2C 设备
- I2C 总线只需要 2 条线：时钟线 SCL、数据线 SDA
- 在 I2C 总线的 SCL、 SDA 线上，都有上拉电阻
1.2 软件框架
以 I2C 接口的存储设备 AT24C02 为例：
如下图所示，APP 可以通过两类驱动程序访问设备：
◼ I2C 设备自己的驱动程序：针对特定 I2C 设备（如传感器、EEPROM）开发的内核驱动模块
◼ Linux内核自带的 i2c-dev.c 驱动程序，它是 i2c 控制器驱动程序暴露给用户空间的驱动程序(i2c-dev.c)
两类驱动程序的区别
| 特性 | I2C设备自己的驱动程序 | 内核自带的i2c-dev.c 驱动程序 |
|---|---|---|
| 驱动类型 | 直接管理具体硬件设备（如传感器、EEPROM） | 提供用户空间直接访问 I2C 总线的通用接口 |
| 设备节点 | 自动创建（如 /dev/ap3216c） | 手动操作（如 /dev/i2c-1） |
| 硬件控制 | 内核直接处理通信协议（如寄存器读写） | 用户空间程序需自行实现协议（如 ioctl + read/write） |
| 开发复杂度 | 需编写内核模块，难度高 | 用户空间开发，难度低 |
| 适用场景 | 标准化设备（如传感器、RTC）的自动化管理 | 调试、自定义协议设备、快速原型开发 |
| 代码位置 | 内核模块（分散在 drivers/i2c/ 的各个子目录中） | 内核自带（固定路径 drivers/i2c/i2c-dev.c） |
（1）内核模块：
drivers/i2c/... 是 Linux 内核源码树中 I2C 子系统相关代码的根目录
drivers/i2c/algos：I2C 总线算法实现（如软件模拟 I2C）。drivers/i2c/busses：具体 I2C 总线控制器驱动（如 SoC 内置的 I2C 控制器）。drivers/i2c/chips：特定 I2C 设备的驱动（如传感器、EEPROM）。
（2）内核自带：
drivers/i2c/i2c-dev.c 是Linux内核源码中 通用 I2C 用户空间接口的实现文件，属于 I2C 子系统的一部分。
1.3 I2C协议
I2C 协议只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义。
传输数据的格式
（1）写操作
流程如下：
⚫ 主设备要发出一个 start 信号
⚫ 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写， 0 表示写， 1 表示读)
⚫ 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
⚫ 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
⚫ 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接收完成)，然后再传输下一个数据。
⚫ 数据发送完之后，主设备就会发送一个停止信号。
⚫ 下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"
（2）读操作
流程如下：
⚫ 主设备要发出一个 start 信号
⚫ 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写， 0 表示写， 1 表示读)
⚫ 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
⚫ 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
⚫ 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接收完成)，然后再传输下一个数据。
⚫ 数据发送完之后，主设备就会发送一个停止信号。
下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"
（3）I2C 信号
I2C 协议中数据传输的单位是字节，也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟：前面 8 个时钟用来传输 8 数据，第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。
⚫ 开始信号（ S）： SCL（时钟线） 为高电平时， SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
⚫ 结束信号（ P）： SCL 为高电平时， SDA （数据线） 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
⚫ 响应信号(ACK)：接收器在接收到 8 位数据后，在第 9 个时钟周期，拉低 SDA
⚫ SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定， SDA 上的数据只能在SCL 为低电平期间变化。
- SCL 高电平期间：读取 SDA 的电平状态，SDA 必须保持稳定（不可变化），否则可能导致数据误判。
- SCL 上升沿：锁存 SDA 的当前值（即读取数据）
- SCL 低电平期间：SDA 可以改变状态（为下一个数据位做准备）。
2. SMBus协议
SMBus 协议定义了几种数据格式
2.1 SMBus 是 I2C 协议的一个子集
SMBus: System Management Bus，系统管理总线。SMBus 为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus 的系 统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。SMBus 是基于 I2C 协议的， SMBus 要求更严格， SMBus 是 I2C 协议的子集。
（1）SMBus 有哪些更严格的要求？跟一般的 I2C 协议有哪些差别？
- VDD 的极限值不一样：I2C 协议范围很广；SMBus为1.8V~5V
- 最小时钟频率：I2C时钟频率最小值无限制；SMBus最小值是10KHz
- 最大的Clock Stretching：I2C没限制；SMBus有限制
- 地址回应(Address Acknowledge)：I2C没有强制要求必须发出回应信号；SMBus强制要求
- 传输格式：I2C只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式；SMBus定义了几种数据格式
- 重复发出开始信号：在写、读之间，可以不发出结束信号，而是直接发出开始信号
2.2 SMBus协议分析
I2C-tools源码中的实现不同数据格式的函数：
因为很多设备都实现了 SMBus，而不是更宽泛的 I2C 协议，所以优先使用SMBus。即使 I2C 控制器没有实现 SMBus，软件方面也是可以使用 I2C 协议来模拟 SMBus。所以： Linux 建议优先使用 SMBus。
3. I2C系统的重要结构体
12c transfer函数会从adapter里面找到master xfer传输函数，通过这个函数把一个或者多个i2c msg传给设备，设备地址在i2c_msg里面包含有，所以这个函数不需要i2c_client
3.1 怎么表示 I2C Controller
（1）i2c_adapter结构体
使用 i2c_adapter 表示一个 I2C BUS，或称为 I2C Controller， 里面有2个重要的成员
（2）i2c_algorithm结构体
3.2 怎么表示 I2C Device
（1）i2c_client结构体
3.3 怎么表示要传输的数据
（1）i2c_msg结构体
i2c_msg 中的 flags 用来表示传输方向： bit 0 等于 I2C_M_RD 表示读， bit 0 等于 0 表示写
4. I2C-Tools
i2c-tools 是基于 i2c-dev.c 驱动开发的用户空间工具集，是一套好用的工具，也是一套示例代码
- i2c-dev.c 是“桥梁”，连接用户程序和物理 I2C 总线。
- i2c-tools 是“工具箱”，通过这座桥梁实现快速调试。
4.1 交叉编译、执行make
在《编写APP操作AP3216C》文章中已实现。
4.2 i2c-tool用法
4.2.1 i2cdetect： I2C检测
--表示没有该地址对应的设备, UU表示有该设备并且它已经有驱动程序, //数值表示有该设备但是没有对应的设备驱动.
4.2.2 i2cset： I2C写
4.2.3 i2cget： I2C读
4.2.4 i2ctransfer： I2C 传输(不是基于SMBus)
4.3 使用I2C-Tools操作传感器AP3216C
AP3216C 是红外、光强、距离三合一的传感器，以读出光强、距离值为例，步骤如下：
⚫ 复位：往寄存器 0 写入 0x4
⚫ 使能：往寄存器 0 写入 0x3
⚫ 读光强：读寄存器 0xC、 0xD 得到 2 字节的光强
⚫ 读距离：读寄存器 0xE、 0xF 得到 2 字节的距离值
AP3216C 的设备地址是0x1E，假设节在I2C BUS0上
4.4 I2C-Tools访问I2C设备的2种方式
两种方式：基于i2c和基于SMBus。
（1）怎么指定 I2C 控制器？
⚫ i2c-dev.c 为每个 I2C 控制器(I2C Bus、 I2C Adapter)都生成一个设备节点： /dev/i2c-0、 /dev/i2c-1 等等；
⚫ open 某个/dev/i2c-X 节点，就是去访问该 I2C 控制器下的设备；
（2）怎么指定 I2C 设备？
通过 ioctl 指定 I2C 设备的地址
⚫ ioctl(file, I2C_SLAVE, address) 如果该设备已经有了对应的设备驱动程序，则返回失败。
⚫ ioctl(file, I2C_SLAVE_FORCE, address) 如果该设备已经有了对应的设备驱动程序但是还是想通过 i2c-dev 驱动来访问它，则使用这个 ioctl 来指定 I2C 设备地址。
（3）怎么传输数据？
两种方式
⚫ 一般的 I2C 方式： ioctl(file, I2C_RDWR, &rdwr)
⚫ SMBus 方式： ioctl(file, I2C_SMBUS, &args)
