本章我们以板载MPU6050为例讲解i2c驱动程序的编写，本章主要分为五部分内容。

第一部分，i2c基本知识，回忆i2c物理总线和基本通信协议。

第二部分，linux下的i2c驱动框架。

第三部分，i2c总线驱动代码拆解。

第四部分，i2c设备驱动的核心函数。

第五部分，MPU6050驱动以及测试程序。

如上图所示，i2c支持一主多从，各设备地址独立，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s。总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空 闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

I2C物理总线使用两条总线线路，SCL和SDA。

SCL： 时钟线，数据收发同步

SDA： 数据线，传输具体数据

当SCL线为高电平时，SDA线由高到低的下降沿，为传输开始标志(S)。直到主设备发出结束信号(P)， 否则总线状态一直为忙。结束标志(P)为，当SCL线为高电平时，SDA线由低到高的上升沿。

i2c的数据字节定义为8-bits长度，对每次传送的总字节数量没有限制,但对每一次传输必须伴有一个应答(ACK)信号， 其时钟由主设备提供，而真正的应答信号由从设备发出，在时钟为高时，通过拉低并保持SDA的值来实现。如果从设备忙， 它可以使 SCL保持在低电平，这会强制使主设备进入等待状态。当从设备空闲后，并且释放时钟线，原来的数据传输才会继续。

开始标志(S)发出后，主设备会传送一个7位的Slave地址，并且后面跟着一个第8位，称为Read/Write位。 R/W位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。然后，主设备释放SDA线，等待从设备的应答信号(ACK)。 每个字节的传输都要跟随有一个应答位。应答产生时，从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。 数据传输总是以停止标志（P）结束，然后释放通信线路。 然而，主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备， 而不发出结束标志。综上可知，所有的SDA信号变化都要在SCL时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志

单字节写入

连续字节写入

对MPU6050进行写操作时，主设备发出开始标志(S)和写地址(地址位加一个R/W位，0为写)。 MPU6050产生应答信号。然后主设备开始传送寄存器地址(RA)，接到应答后，开始传送寄存器数据， 然后仍然要有应答信号，连续写入多字节时依次类推。

单字节读出

连续字节读出

对MPU6050进行读操作时，主设备发出开始标志(S)和读地址(地址位加一个R/W位，1为读)。 等待MPU6050产生应答信号。然后发送寄存器地址，告诉MPU6050读哪一个寄存器。 紧接着，收到应答信号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备读地址。 MPU6050产生应答信号并开始发送寄存器数据。通信以主设备产生的拒绝应答信号(NACK)和结束标志(P)结束。

学过单片机的用户对i2c协议并不陌生，这里只是简单的讲解，如果忘记可参考 【野火®】零死角玩转STM32 中i2c章节。

在编写单片机裸机i2c驱动时我们需要根据i2c协议手动配置i2c控制寄存器使其能够输出起始信号、停止信号、数据信息等等。

在Linux系统中则采用了总线、设备驱动模型。我们之前讲解的平台设备也是采用了这种模型，只不过平台总线是一个虚拟的总线。

我们知道一个i2c(例如i2c1)上可以挂在多个i2c设备，例如MPU6050、i2c接口的OLED显示屏、摄像头（摄像头通过i2c接口发送控制信息）等等， 这些设备共用一个i2c，这个i2c的驱动我们称为i2c总线驱动。而对应具体的设备,例如mpu6050的驱动就是i2c设备驱动。 这样我们要使用mpu6050就需要拥有“两个驱动”一个是i2c总线驱动和mpu6050设备驱动。

i2c总线驱动由芯片厂商提供（驱动复杂，官方提供了经过测试的驱动，我们直接用），

mpu6050设备驱动可以从mpu6050芯片厂家那里获得（不确定有），也可以我们手动编写。

如上图所示，i2c驱动框架包括i2c总线驱动、具体某个设备的驱动。

i2c总线包括i2c设备(i2c_client)和i2c驱动(i2c_driver), 当我们向linux中注册设备或驱动的时候，按照i2c总线匹配规则进行配对，配对成功，则可以通过i2c_driver中.prob函数创建具体的设备驱动。 在现代linux中，i2c设备不再需要手动创建，而是使用设备树机制引入，设备树节点是与paltform总线相配合使用的。 所以需先对i2c总线包装一层paltform总线，当设备树节点转换为平台总线设备时，我们在进一步将其转换为i2c设备，注册到i2c总线中。

设备驱动创建成功，我们还需要实现设备的文件操作接口(file_operations),file_operations中会使用到内核中i2c核心函数(i2c系统已经实现的函数，专门开放给驱动工程师使用)。 使用这些函数会涉及到i2c适配器，也就是i2c控制器。由于ic2控制器有不同的配置，所有linux将每一个i2c控制器抽象成i2c适配器对象。 这个对象中存在一个很重要的成员变量——Algorithm，Algorithm中存在一系列函数指针，这些函数指针指向真正硬件操作代码。

在开始拆解i2c驱动框架的源码之前，先了解其中几个重要的对象。

struct i2c_adapter

i2c_适配器对应一个i2c控制器，是用于标识物理i2c总线以及访问它所需的访问算法的结构。

algo： struct i2c_algorithm 结构体，访问总线的算法；

dev： struct device 结构体，控制器，表明这是一个设备。

struct i2c_algorithm

i2c_algorithm是对i2c通信方法的抽象接口，这个抽象接口使得不同芯片上的i2c外设，能使用i2c总线模型。

struct i2c_algorithm结构体用于指定访问总线（i2c）的算法， 结构体中包含了几个函数指针成员，不同的厂商根据自身硬件的特性，来自行实现自己的i2c传输功能。

更直白的说，i2c设备例如mpu6050、i2c接口的oled屏等等，就会通过这些函数接口使用i2c总线实现收、发数据的。 在i2c的总线驱动中会实现这些（部分）函数。

master_xfer： 作为主设备时的发送函数，应该返回成功处理的消息数，或者在出错时返回负值。

smbus_xfer： smbus是一种i2c协议的协议，如硬件上支持，可以实现这个接口。

struct i2c_client

表示i2c从设备

flags： :I2C_CLIENT_TEN表示设备使用10位芯片地址，I2C客户端PEC表示它使用SMBus数据包错误检查

addr： addr在连接到父适配器的I2C总线上使用的地址。

name： 表示设备的类型，通常是芯片名。

adapter： struct i2c_adapter 结构体，管理托管这个I2C设备的总线段。

dev： Driver model设备节点。

init_irq： 作为从设备时的发送函数。

irq： 表示该设备生成的中断号。

detected： struct list_head i2c的成员_驱动程序.客户端列表或i2c核心的用户空间设备列表。

slave_cb： 使用适配器的I2C从模式时回调。适配器调用它来将从属事件传递给从属驱动程序。i2c_客户端识别连接到i2c总线的单个设备（即芯片）。暴露在Linux下的行为是由管理设备的驱动程序定义的。

struct i2c_driver

i2c设备驱动程序

probe： i2c设备和i2c驱动匹配后，回调该函数指针。

id_table： struct i2c_device_id 要匹配的从设备信息。

address_list： 设备地址

clients： 设备链表

detect： 设备探测函数

i2c总线驱动由芯片厂商提供，如果我们使用ST官方提供的Linux内核，i2c总线驱动已经保存在内核中，并且默认情况下已经编译进内核。

下面结合源码简单介绍i2c总线的运行机制。

1、注册I2C总线

2、将I2C驱动添加到I2C总线的驱动链表中

3、遍历I2C总线上的设备链表，根据i2c_device_match函数进行匹配，如果匹配调用i2c_device_probe函数

4、i2c_device_probe函数会调用I2C驱动的probe函数

i2c总线定义

i2c总线维护着两个链表（I2C驱动、I2C设备），管理I2C设备和I2C驱动的匹配和删除等

i2c总线注册

linux启动之后，默认执行i2c_init。

第5行：bus_register注册总线i2c_bus_type，总线定义如上所示。

第11行：i2c_add_driver注册设备dummy_driver。

i2c设备和i2c驱动匹配规则

of_driver_match_device： 设备树匹配方式，比较 I2C 设备节点的 compatible 属性和 of_device_id 中的 compatible 属性

acpi_driver_match_device： ACPI 匹配方式

i2c_match_id： i2c总线传统匹配方式，比较 I2C设备名字和 i2c驱动的id_table->name 字段是否相等

在i2c总线驱动代码源文件中，我们只简单介绍重要的几个点，如果感兴趣可自行阅读完整的i2c驱动源码。 通常情况下，看驱动程序首先要找到驱动的入口和出口函数，驱动入口和出口位于驱动的末尾，如下所示。

驱动注册函数module_platform_driver很简单，我们可以从中得到i2c驱动是一个平台驱动，并且我们知道平台驱动结构体是“st_i2c_driver”，平台驱动结构体如下所示。

第1-5行：是i2c驱动的匹配表，用于和设备树节点匹配，

第8-16行：是初始化的平台设备结构体，从这个结构体我们可以找到.prob函数，.prob函数的作用我们都很清楚，通常情况下该函数实现设备的基本初始化。

以下是.porbe函数的内容。

第10-12行：为st_i2c_dev结构体申请空间，后面会详述这个结构体。

第14-17行：获取reg属性，这里使用的是内核提供的“platform_get_resource”它实现的功能和我们使用of函数获取reg属性相同。这里的代码获取得到了i2c的基地址，并且使用“devm_ioremap_resource”将其转化为虚拟地址。

第19-23行：获取中断号，在i2c的设备树节点中定义了中断，这里获取得到的中断号申请中断时会用到，获取函数使用的是内核提供的函数irq_of_parse_and_map。

第25-34行：获取时钟配置并配置。

剩余的都是pm功耗管理，adapter的配置了，比较简单， 最终使用i2c_add_adapter将平台驱动注册到bus中。

下面我们来看看st_i2c_dev结构体，它是切实用于产商芯片和linux平台关联的桥梁。

st_i2c_dev结构体成员较多，保存了厂商的i2c控制器信息以及即将注册到总线中的adapter适配器， 通过这个结构体，可以关联linux下的i2c总线模型和产商芯片驱动功能。

adap： 即将注册到总线中的adapter适配器

irq： 保存i2c的中断号

clk： clk结构体保存时钟相关信息

busy： 驱动状态

在前面的probe函数函数中，第7行定义了一个adap结构体指针，用于指向初始化st_i2c_dev结构体中的adap成员。 又通过55行的i2c_set_adapdata函数，将adap关联回st_i2c_dev变量i2c_dev。 这里可以简单的理解成一个环形，两个结构体互相关联，

在57到67行里，将即将要注册到系统中的adap进行了初始化。

我们重点看60行的：“adap->algo = &st_i2c_algo;”， 它就是用于初始化“访问i2c总线的传输算法”。“st_i2c_algo”定义如下。

st_i2c_algo结构体内指定了两个函数，它们就是外部访问i2c总线的接口:

函数st_i2c_func只是用于返回I2C总线提供的功能。

函数st_i2c_xfer真正实现访问i2c外设，进行数据传输。

st_i2c_xfer函数定义如下：

这里就不带大家展开了，操作内容都是比较针对底层外设寄存器的。

至此我们的i2c平台驱动就给大家分析完了，probe函数完成了i2c的基本初始化并将其添加到了系统中。 驱动中也实现i2c对外接口函数。 我们在初始化i2c_adapter结构体时已经初始化了访问总线算法结构体i2c_algorithm，在前面也介绍过了。

那么总结整个probe函数，主要完成了两个工作。第一，初始化i2c硬件，第二，初始化一个可以访问i2c外设的i2c_adapter结构体，并将其添加到系统中。

i2c_add_adapter()

向linux系统注册一个i2c适配器

参数：

adapter： i2c物理控制器对应的适配器

返回值：

成功： 0

失败： 负数

i2c_add_driver()宏

这个宏函数的本质是调用了i2c_register_driver()函数，函数如下。

i2c_register_driver()函数

参数：

owner： 一般为 THIS_MODULE

driver： 要注册的 i2c_driver.

返回值：

成功： 0

失败： 负数

i2c_transfer()函数

i2c_transfer()函数最终就是调用我们前面讲到的st_i2c_xfer()函数来实现数据传输。

参数：

adap ： struct i2c_adapter 结构体，收发消息所使用的i2c适配器，i2c_client 会保存其对应的 i2c_adapter

msgs： struct i2c_msg 结构体，i2c要发送的一个或多个消息

num ： 消息数量，也就是msgs的数量

返回值：

成功： 发送的msgs的数量

失败： 负数

i2c_msg结构体

addr： iic设备地址

flags： 消息传输方向和特性。I2C_M_RD：表示读取消息；0：表示发送消息。

len： 消息数据的长度

buf： 字符数组存放消息，作为消息的缓冲区

i2c_master_send()函数

i2c_master_recv()函数

i2c_transfer_buffer_flags()函数

下面以mpu6050为例讲解如何编写i2c设备驱动。

本节实验使用到 STM32MP1 开发板上的 MPU6050。

MPU6050是一款运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。

MPU6050是通过i2c连接到开发板的，其中传感器上的SDA和SCL连到开发板i2c1; 开发板要控制MPU6050需要先复用这两个引脚为i2c控制器引脚。

查看MPU芯片手册我们可以知道，MPU6050的slave地址为b110100X，七位字长，最低有效位X由AD0管脚上的逻辑电平决定。 从原理图上可以看到，AD0接地，则地址为b1101000，也就是0x68。

由上面的原理图分析，我们可以得到下面的mpu6050的设备树插件。

第17行：在i2c1节点下面添加新属性内容

第19-26行：添加pinctrl信息，以及i2c的各种属性

第30行： 在pinctrl节点下面添加新的子节点i2c1_pins_a、i2c1_pins_sleep_a

第32-40行： 设置i2c1_pins_a的状态使用的引脚功能。

第42-47行： 设置i2c1_pins_sleep_a的状态使用的引脚功能。

第18行： 添加MPU6050子节点

第23-24行： 设置MPU6050子节点属性为”fire,i2c_mpu6050”，和驱动保持一致即可。我们注释掉了”invensense,mpu6050”， 此属性可以使用到内核自带的mpu6050驱动，自带的mpu6050驱动是使用ii0子系统来实现的，感兴趣可自行研究。

第25行： 设置reg属性，reg属性只需要指定MPU6050在i2c总线上的地址，原理图分析可知为0x68。

第26-27行： 设置中断引脚信息

i2c_mpu6050驱动实验编程思路如下：

分析硬件原理图，编写mpu6050的设备树插件，前面已实现。

编写mpu6050驱动程序，

编写简单测试应用程序。

由于ST官方已经写好了i2c的总线驱动，mpu6050这个设备驱动就变得很简单，下面结合代码介绍mpu6050设别驱动实现。

和平台设备驱动类似，mpu6050驱动程序结构如下：

驱动程序可分为如下四部分内容（从下往上看）：

第49-73行： 定义i2c总线设备结构体并实现i2c总线设备的注册和注销函数，在这里就是程驱动程序的入口和出口函数。

第38-47行： 实现i2c总线设备结构体中定义的操作函数，主要是.prob匹配函数，在.prob函数中添加、注册一个字符设备，这个字符设备用于实现mpu6050的具体功能。

第14-36行： 定义并实现字符设备操作函数集。在应用程序中的open、read操作传到内核后就是执行这些函数，所以他们要真正实现对mpu6050的初始化以及读取转换结果。

第1-12行： 具体的读、写mpu6050的函数，它们被第三部分的函数调用，用户自行定义。

下面我们将按照这四部分内容介绍mpu6050设备驱动程序实现。

驱动入口和出口函数仅仅用于注册、注销i2c设备驱动，代码如下：

第1-9行： 定义设备树匹配表。

第13-14行： .probe和.remove，它们是i2c设备的操作函数，.prob函数在匹配成功后会执行,设备注销之前.remove函数会执行，稍后我们会实现这两个函数。

第12-21行： 定义的i2c设备驱动结构体mpu6050_driver，和我们之前学习的平台设备驱动类似，一个“结构体”代表了一个设备。结构体内主要成员介绍如下， “.id_table”和“.of_match_table”，它们用于和匹配设备树节点，具体实现如代码如第二行、第七行。

第26-41行： 就是我们常说的驱动入口和出口函数。在入口函数内我们调用“i2c_add_driver”函数添加一个i2c设备驱动。在出口函数内调用“i2c_del_driver”函数删除一个i2c设备驱动。它们的参数都只有一个i2c设备驱动结构体。

通常情况下.prob用于实现一些初始化工作，.remove用于实现退出之前的清理工作。 mpu6050需要初始化的内容很少，我们放到了字符设备的.open函数中实现.prob函数只需要添加、注册一个字符设备即可。 程序源码如下所示：

第2行： 在.open函数中仅仅调用了我们自己编写的mpu6050_init函数。

第13-29行： 调用i2c_write_mpu6050函数向mpu6050发送控制参数，控制参数可参考芯片手册，我们重点讲解函数i2c_write_mpu6050实现。

第33行： 参数mpu6050_client是i2c_client类型的结构体，填入mpu6050设备对应的i2c_client结构体即可。

第34行： 参数address，用于设置要写入的地址这个地址是要写入mpu6050的内部地址。

第35行： 参数data, 指定要写入的数据。

第42行： 定义struct i2c_msg结构体，用来装要发送数据。

第45-46行： 写入数据时要先发送写入的地址然后发送要写入的数据，这里用长度为二的数组保存地址和数据

第49-52： i2c_msg结构体填入总线上的地址，标记发送数据，首地址，以及reg长度。

第55行： i2c_write_mpu6050函数，该函数是对i2c_transfer函数的封装，而i2c_transfer是系统提供的i2c设备驱动发送函数，根据之前讲解这个函数最终会调用i2c总线驱动里的函数，最终由i2c总线驱动执行收、发工作。我们这里要做的就是按照规定的格式编写要发送的数据。

mpu6050_read函数源码如下所示。