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Linux 驱动开发之 I2C 驱动开发简介（一）

关键字 :I2CLinux 驱动E3

一、I2C 驱动介绍

1.1、I2C 协议

I2C是我们在MCU开发时时常会用到的通讯接口，用来与一些字符型设备进行通信，比如：陀螺仪、温度传感器等等，同样的在Linux下I2C驱动也是十分重要的。

以下为 I2C 协议内容：

（1）、I2C (Inter-Integrated Circuit，内置集成电路），同步（SCL控制） 串行（按位传输）接口。

两线协议-----时钟线和双向数据线，SCL  （Serial CLock，串行时钟）和SDA （Serial  Data，串行数据）。

主从协议-----通信双方为主机适配器（ 主控制器）和客户设备（从设备）。

特点：交换数据总量少；数据传输率低；标准传输频率为100KHZ、400KHZ；

下图为 I2C 硬件示意图：



1.2、I2C 时序

（1）、时序图可以看到它的一个完整时序，包括开始时序、发送地址8位地址、发送应答、接收数据地址8位、接收应答、停止时序。

（2）、必须是起始信号为开始条件，结束信号为传输的停止条件。在这两个条件的中间做发送或者接收字节。

其中看到第一发送时序，是SCL高电平期间，SDA数据线是由高电平到低电平的一个变化，最后需要释放SCL的数据总线。

下图是 I2C 总线信号时序图：



I2C传输的要点就是： 传输一个字节 后面必然紧跟一个"响应"信号----应答信号.这个响应信号可能来自主机，或者是从机，具体是谁，就要看传输方向。

传输方向分两种情况(每种情况又有两种可能: A无应答和 B有应答)：

1.主机->从机，主机对从机发一个字节之后，主机要读取从机的响应信号(主机读SDA线)

  1. A) 主机读SDA为高电平，说明从机无应答（意味着从机接收完毕，主机发送停止信号）
  2. B) 主机读SDA为低电平，说明从机有应答。（可继续发送下一个字节）

 

2.从机->主机， 主机读取从机一个字节之后，主机要向从机发送一个响应信号(主机写SDA线)

​    A) 主机写SDA为高电平，从机收到主机的无应答信号之后，从机停止传输，等待主机的停止信号。

​    B) 主机写SDA为低电平，从机收到主机的应答信号之后，从机继续输出下一字节

了解了相关的 MCU 的 I2C 功能后，下面开始介绍开始对相关的开发过程做介绍。

1.3、I2C 时序Linux 内核

 

相关概念解释：

I2C设备驱动：即挂接在I2C总线上的二级外设的驱动，也称客户（client）驱动，实现对二级外设的各种操作，二级外设的几乎所有操作全部依赖于对其自身内部寄存器的读写，对这些二级外设寄存器的读写又依赖于I2C总线的发送和接收

I2C总线驱动：即对I2C总线自身控制器的驱动，一般SOC芯片都会提供多个I2C总线控制器，每个I2C总线控制器提供一组I2C总线（SDA一根+SCL一根），每一组被称为一个I2C通道，Linux内核里将I2C总线控制器叫做适配器（adapter），适配器驱动主要工作就是提供通过本组I2C总线与二级外设进行数据传输的接口，每个二级外设驱动里必须能够获得其对应的adapter对象才能实现数据传输

I2C核心：承上启下，为I2C设备驱动和I2C总线驱动开发提供接口，为I2C设备驱动层提供管理多个i2c_driver、i2c_client对象的数据结构，为I2C总线驱动层提供多个i2c_algorithm、i2c_adapter对象的数据结构

以上是基于 Linux 内核的 I2C 驱动开发相关概念，作为常见的概念参考。

1.4、MCU 的 I2C 开发

如何在 MCU 中实现 I2C 功能开发，参考如下内容，讲述比较详细也非常清楚：

(原创) 巩固理解I2C协议(MCU，经验) - Booting - 博客园 (cnblogs.com)

1）、主器件向从器件读数据。

2）、 协议的程序实现

2.1）、 基本配置和宏定义

2.2）、 I2C通信建立

2.3）、 主器件向从器件写一个字节数据（带应答信号检验）

2.4）、 主器件从从器件接收一个数据

2.5）、 主器件回复应答信号0（ACK）

2.6）、 主器件回复应答信号1（NO ACK）

2.7）、 主器件向从器件写入数据

2.8）、 主器件从从器件读入数据

3）、 实际程序验证

二、E3 中I2C 驱动开发

对于 Semidrive 的 E3 系列而言，在如下官方地址进行下载相关的 Datasheet ：


首页 - 客户支持系统 - 芯驰科技SemiDrive

 
E3的系列如下：由于我们使用的是 E3103F2 这颗芯片，故选择 E3100_MCU_Datasheet_Rev00.07

中 I2C 的相关资料。

《E3400_E3600_MCU_Datasheet_Rev00.09》

《E3300_MCU_Datasheet_Rev00.09》

《E3648_MCU_Datasheet_Rev00.05》

从 E3100_MCU_Datasheet_Rev00.07 中可以看到芯片的功能模块如下：

 

E3100系列集成了 Cotex-R5F 的CPU，还有支持外设：LIN/UART/CAN/I2C等，以及功能安全 HSM 等。这里 Peripherals中总共有 I2C x 4：4组 I2C 的接口

Datasheet 中对 I2C相关资料如下：

（1）、I2C 的功能：Feature

Main features of I2C are as below:

  • Supports 32bits APB 3.0 Slave interface.
  • Supports the following speed modes:

– Standard Speed (100KHz), Fast Speed (400KHz), Fast-Plus Speed (1MHz)

– Supports High Speed mode (5MHz)

– Supports Ultra-Fast Speed mode (5MHz)

  • Supports the following operation modes:

– I2C Master

– I2C Slave

– FIFO Test

  • Compliant to I2C bus specification, version 6.0
  • Compliant to SMBus specification, version 3.1

– ARP-capable

– Bus timeout detection

  • Compliant to PMBus specification, version 1.3
  • Supports DMA operation
  • Shared TX/RX FIFO

– FIFO size: 64 (depth) * 8 (width)



（2）、功能接口 Block Diagram

The high-level block diagram of I2C is as below:

The sub-block function is as follows:

  • BUSCTL

Handles APB Bus read/write access to CSR (Control/Status Regsiters) and FIFO.

  • APB CMDG Generator

Triggers APB command and generate read/write transfer on I2C transfer.

  • Register File

Stores I2C control & status registers.

  • Shared TX/RX FIFO

APB domain sync FIFO which is shared by TX and RX.

  • DMA Interface Control

Provides the request/handshake/control interface to DMA controller.

  • Clock Generator

Generates I2C peripheral clock which includes prescaler logic and also control the clock

gating of sub-modules.

  • Protocol Engine State Machine

– Controls the receiving/transmitting of address/control/Data/Byte Count/PEC bytes.

– Controls ACK/NACK handshake receiving/transmitting.

– Monotors I2C bus for multi-master arbitration (Bus Lost detection).

– Holds SCL line LOW when transmit data not ready or no empty to receive new data.

– Interrupts Generation logic for address/control/Data/Byte Count/PEC bytes received.

  • CDC sync

– Handles the clock domain cross between i_pclk and i_sclk.

  • IOCTL

– TX/RX Shift register control logic

– TX/RX Bit/Byte Counter

– START/RESTART/STOP/Address/Data bit transmit/detect

– ACK/NACK handshake receive/transmit

– I2C bus line input sychronizer

– Spike mask logic (noise filter)

 

（2）、工作模式：

This section introduces the programming model in I2C.

9.3.3.1 Controller Initialization

Software flow for Controller initialization:

  • Set MCR0.MODEN to 0x0 (disable module)
  • Reset module by set MCR0.MODRST to 0x1
  • Wait software reset auto clear (MCR0.MODRST)
  • Configure following register fields:


9.3.3.2 Trigger I2C Transfer by APB command

Software flow to trigger an I2C transfer by APB command:

9.3.3.3 Abort I2C Transfer by APB command

Software flow to abort an I2C transfer by APB command:

  • Write CMDCSR0 register and setting following field:

– Write Doorbell field (CMDCSR0.DOORBELL) with value 0xA5C3

  • Wait for APB command abort interrupt or slave read/write transfer abort interrupt

 
9.3.3.4 Receive I2C Transfer on I2C bus

Software flow to response to received I2C transfer on I2C bus:

  • Wait for address byte detected interrupts (such as

SLVWRREQDET/SLVRDREQDET/ADDRMATCH etc)

– Received address can be read in register CMDCSR2.TAR/CMDCSR2.TARTYP/CMDCSR3.TAR/

CMDCSR3.TARTYP.

– Received read/write type can be read in register CMDCSR2.RWB.

 

（3）、寄存器：

以下表格是对寄存器的描述

 

当然还有许多的寄存器，无法一一列举出来，功能及地址需要查看datasheet 进行比较。

熟悉硬件以后看看软件对其相关的设置

下图中为 SSDK 中 i2c 驱动部分程序：位置在 ssdk/drivers/i2c 文件夹中

 

i2c.c、i2c.h,dw_i2c.c是I2C核心的实现；

sdrv_i2c_drv.c 实现了I2C适配器设备文件的功能，每一个I2C适配器都被分配了一个设备

三、内容总结

       本章主要介绍了 I2C 协议的相关概念，以及在 E3 芯片中的 I2C 模块，同时在E3的 SSDK 下可以看到 I2C 的驱动程序，受限于篇幅，在下一篇文章中会做详细的解释说明。

四、参考资料

【1】《E3100_MCU_Technical_Reference_Manual_Rev00.03.pdf》

【2】《极Linux驱动开发（十八）：I2C驱动》

https://blog.csdn.net/a568713197/article/details/103280647

【3】《极Linux驱动开发（十八）：I2C驱动》

https://blog.csdn.net/a568713197/article/details/103280647

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