IIC 驱动专题05 - GPIO模拟I2C源码分析和实例

1. I2C-GPIO设备树定义的两种方法方法1：使用gpios属性（Linux 4.9.88中的方法）方法2：使用sda-gpios和scl-gpios属性（Linux 5.4中新增的方法）2. I2C-GPIO驱动层次与函数调用栈分析 2.1 I2C-GPIO驱动层次图 2.2 源码分析解释传输函数 I2C-GPIO驱动架构关键传输函数分析 1. 底层GPIO操作函数 (i2c-gpio.c)2. I2C位操作算法核心函数 (i2c-algo-bit.c)3. 传输过程详解 3. 怎么使用I2C-GPIO 4. 实例实验 4.1. 根据原理图编写设备树 4.2 确认内核已经配置了I2C-GPIO 4.3 上机实验 4.4 编译I2C-GPIO驱动 4.5 测试

参考资料：

i2c_spec.pdf

Linux文档

Linux-5.4\Documentation\devicetree\bindings\i2c\i2c-gpio.yaml
Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\i2c\i2c-gpio.txt

Linux驱动源码

Linux-5.4\drivers\i2c\busses\i2c-gpio.c
Linux-4.9.88\drivers\i2c\busses\i2c-gpio.c

软件实现的I2C总线驱动虽然速度不如硬件I2C控制器，但具有极高的灵活性，可以在任何有GPIO引脚的系统上实现I2C通信，非常适合嵌入式系统和原型开发。

1. I2C-GPIO设备树定义的两种方法

根据Linux 4.9.88和Linux 5.4版本的I2C-GPIO驱动代码，我可以对比两种GPIO引脚定义方式：

方法1：使用gpios属性（Linux 4.9.88中的方法）

说明：

在Linux 4.9.88版本中，I2C-GPIO驱动通过of_i2c_gpio_get_pins函数获取GPIO引脚

该函数使用of_gpio_count和of_get_gpio函数从设备树的gpios属性中获取SDA和SCL引脚

第一个引脚（索引0）被识别为SDA，第二个引脚（索引1）被识别为SCL

这是Linux 4.9.88版本中唯一支持的方法

方法2：使用sda-gpios和scl-gpios属性（Linux 5.4中新增的方法）

说明：

在Linux 5.4版本中，I2C-GPIO驱动增加了对sda-gpios和scl-gpios属性的支持

这种方法使用独立的属性分别定义SDA和SCL引脚，更加明确

驱动会首先尝试使用sda-gpios和scl-gpios属性，如果不存在则回退到使用gpios属性

这种方法符合Linux设备树的命名规范，更加直观和明确

在Linux 4.9.88版本中，只支持使用gpios属性的方法1。而在Linux 5.4版本中，两种方法都支持，但推荐使用方法2，因为它更加明确和符合Linux设备树的命名规范。

如果您使用的是Linux 4.9.88版本，只能使用方法1。如果您使用的是Linux 5.4或更高版本，建议使用方法2。

2. I2C-GPIO驱动层次与函数调用栈分析

2.1 I2C-GPIO驱动层次图

2.2 源码分析解释传输函数

I2C-GPIO驱动架构

I2C-GPIO驱动是一个软件实现的I2C总线驱动，它通过GPIO引脚模拟I2C总线的SDA和SCL信号线。整个驱动分为两个主要部分：

i2c-gpio.c: 负责GPIO引脚的配置和操作，提供底层的SDA/SCL控制函数

i2c-algo-bit.c: 实现I2C协议的位操作算法，处理I2C总线的时序和传输

关键传输函数分析

1. 底层GPIO操作函数 (i2c-gpio.c)

i2c_gpio_setsda_dir/val: 设置SDA引脚的方向或值

i2c_gpio_setscl_dir/val: 设置SCL引脚的方向或值

i2c_gpio_getsda: 读取SDA引脚的值

i2c_gpio_getscl: 读取SCL引脚的值

这些函数是I2C位操作算法的基础，通过GPIO API实现对物理引脚的控制。

2. I2C位操作算法核心函数 (i2c-algo-bit.c)

bit_xfer: 主要的传输函数，处理整个I2C消息传输过程

该函数接收一个消息数组和消息数量，按顺序处理每个消息。它负责：

发送起始条件
处理设备地址
根据消息类型执行读或写操作
发送停止条件

i2c_start/i2c_repstart: 产生I2C起始条件和重复起始条件

这些函数通过控制SDA和SCL线产生I2C协议规定的起始信号。

bit_doAddress: 处理设备地址传输

该函数负责发送设备地址，支持7位和10位地址模式，并处理读写方向位。

sendbytes/readbytes: 数据传输函数

这些函数分别处理数据的发送和接收，包括应答/非应答的处理。

i2c_outb/i2c_inb: 字节级传输函数

这些函数实现单个字节的发送和接收，包括位操作和时序控制。

i2c_stop: 产生I2C停止条件

该函数通过控制SDA和SCL线产生I2C协议规定的停止信号。

3. 传输过程详解

初始化阶段:

i2c_gpio_probe函数注册I2C适配器

配置GPIO引脚并设置回调函数

传输阶段:

当上层调用I2C传输函数时，请求传递到bit_xfer

bit_xfer发送起始条件，然后循环处理每个消息

对每个消息，先发送设备地址，然后根据读/写标志调用相应函数

读操作调用readbytes，写操作调用sendbytes

最后发送停止条件

时序控制:

通过sdalo/sdahi和scllo/sclhi函数控制SDA和SCL线

使用udelay函数实现精确的时序延迟

sclhi函数支持时钟拉伸（某些设备可能需要更多时间处理数据）

错误处理:

检测设备是否应答

处理超时情况

支持重试机制

3. 怎么使用I2C-GPIO

设置设备数，在里面添加一个节点即可，示例代码看上面：

compatible = "i2c-gpio";

使用pinctrl把 SDA、SCL所涉及引脚配置为GPIO、开极

可选

指定SDA、SCL所用的GPIO

指定频率(2种方法)：

i2c-gpio,delay-us = <5>; /* ~100 kHz */
clock-frequency = <400000>;

#address-cells = <1>;

#size-cells = <0>;

i2c-gpio,sda-open-drain：

它表示其他驱动、其他系统已经把SDA设置为open drain了
在驱动里不需要在设置为open drain
如果需要驱动代码自己去设置SDA为open drain，就不要提供这个属性

i2c-gpio,scl-open-drain：

它表示其他驱动、其他系统已经把SCL设置为open drain了
在驱动里不需要在设置为open drain
如果需要驱动代码自己去设置SCL为open drain，就不要提供这个属性

4. 实例实验

4.1. 根据原理图编写设备树

4.1 原理图

4.2 编写设备树

把上述代码，放入arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts的根节点下面。

4.2 确认内核已经配置了I2C-GPIO

查看内核目录下的.config，如果未设置CONFIG_I2C_GPIO，上机实验时需要配置内核、编译I2C-GPIO驱动。

4.3 上机实验

4.1 设置工具链

IMX6ULL

4.2 编译、替换设备树

编译设备树：在Ubuntu的IMX6ULL内核目录下执行如下命令, 得到设备树文件：arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb

开发板上挂载NFS文件系统

vmware使用NAT(假设windowsIP为192.168.1.100)

vmware使用桥接，或者不使用vmware而是直接使用服务器：假设Ubuntu IP为192.168.1.137

更新设备树

重启开发板

4.4 编译I2C-GPIO驱动

1. 配置内核

在IMX6ULL内核源码目录下执行make menuconfig命令，如下配置内核：

2. 编译模块

设置工具链后，在内核目录下执行：

4.5 测试

插入EEPROM模块，在开发板上执行：