1.寫在前面

I2C總線是由PHILIPS公司開發的一種簡單、「雙向二線制同步串行總線」。

關于i2c的使用，并不陌生，STM32、C51、ARM、MSP430等，都基本集成硬件i2c，或者不集成i2c的，可以根據總線時序圖使用普通IO口翻轉模擬一根i2c總線。

對于流行的STM32飽受詬病的硬件I2C，相信很多人都是使用模擬I2C。

模擬i2c的源碼比較多，大多都是大同小異，對于各類例程，提供的模擬i2c似乎都不是太規范（個人見解），特別是一根i2c總線掛多個外設、模擬多根i2c總線、以及更換一個i2c外設時，都需要大幅度修改源碼、復制源碼、重新調試時序等重復的工作。

在閱讀過Linux設備驅動框架和RT-Thread的驅動框架，發現在總線分層上處理就特別好，完美解決了上述提及的問題。參考RT-Thread和Linux下的模擬i2c，整理修改在裸機上使用。

2.Linux、RT-Thread設備驅動模型

1）模型分為總線驅動和設備驅動；

2） 總線驅動與外設驅動分離，方便一根總線掛多個外設，方便移植；

3） 底層（與硬件相關）與上層分離，方便添加總線及移植到不同處理器，移植到其他處理器，只需重新實現硬件相關的“寄存器”層即可；

3.MCU下裸機形式i2c總線抽象

此部分實現源碼為：i2c_core.c i2c_core.h

1）i2c總線抽象對外接口（API）

“i2c_bus_xfer”為i2c封裝對外的API，函數原型如下，提供一個函數模型，具體需要實例化函數指針。

int i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
 int size;
 
 size = dev->xfer(dev,msgs,num); 
 return size;
}

a）此函數即作為驅動外設的對外接口，所有操作通過此函數接口，與底層總線實現分離，如EEPROM、RTC、溫度傳感器等；

b）一個對外函數已經實現90%的情況使用，對應一些特殊情況，后期再完善或增加API。

c）struct i2c_dev_device *i2c_dev

2）i2c總線抽象API參數

a）i2c_dev：i2c設備指針，類型為“struct i2c_dev_device”，驅動一個i2c外設時，首先要對此指針設備初始化；

b）msgs：i2c一幀數據，發送數據及存放返回數據的緩存；

c）num：數據幀數量。

3）struct i2c_dev_device

該結構體為關鍵，調用API驅動外設時，首先對此初始化（類似于Linux/RT-Thread注冊設備）。完整的設備包括兩部分，數據操作函數和i2c相關信息（如硬件i2c或者模擬i2c）。因此“struct i2c_dev_device”的原型為：

struct i2c_dev_device
{
    int (*xfer)(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num);
    void *i2c_phy;
};

a）第一個參數是函數指針，數據收發通過此函數指針調用實體函數實現；

b）第二個參數是一個void指針，初始化時指向我們使用的物理i2c（硬件/模擬），使用時可強制轉換為對應的類型。

4）xfer

該函數與i2c總線設備對外接口函數“i2c_bus_xfer”具有相同的參數，形參參數參考此項的第2點，初始化時實例化指向實體函數。

5）struct i2c_dev_message

“struct i2c_dev_message”為i2c總線訪問外設的一幀數據信息，包括發送數據、外設從地址、訪問標識等。原型如下：

struct i2c_dev_message
{
 unsigned short  addr;
 unsigned short flags;
 unsigned short size;
 unsigned char *buff;
 unsigned char   retries;  
};

a）addr：i2c外設從機地址，常用為7位，10位較少用；
b）flags：標識，發送、接收、應答、地址位選擇等標識；幾種標識如下：

#define I2C_BUS_WR             0x0000
#define I2C_BUS_RD             (1u << 0)
#define I2C_BUS_ADDR_10BIT     (1u << 2)
#define I2C_BUS_NO_START      (1u << 4)
#define I2C_BUS_IGNORE_NACK    (1u << 5)
#define I2C_BUS_NO_READ_ACK    (1u << 6)

c）size：發送的數據大小，或者接收的緩存大小；

d）buff：緩存區；

e）retries：i2c啟動失敗時，重啟的次數。

4.模擬i2c抽象

對于模擬i2c，在以往的實現方式中，基本是時序圖和外設代碼混合在一起，增加外設或者使用新的i2c外設時，需要對模擬i2c代碼進行較大工作量的修改，或者以“復制”的方式實現一套新的i2c總線。

但同理，可以把模擬i2c時序部分代碼抽象出來，以“復用”代碼的形式實現。此部分實現源碼為：i2c_bitops.c i2c_bitops.h

1）模擬i2c抽象對外接口

根據上述封裝的對外API，使用時，首先需要實現入口參數“i2c_dev”實例化，用模擬i2c即是調用模擬i2c相關接口。

int i2c_bitops_bus_xfer(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned long num)
{
 struct i2c_dev_message *msg;
 unsigned long i;
 unsigned short ignore_nack;
 int ret;
 
 ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;
 i2c_bitops_start(i2c_bus);       
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        msg = &msgs[i];
        if (!(msg->flags & I2C_BUS_NO_START))
        {
            if (i)
            {
                i2c_bitops_restart(i2c_bus); 
            }
            ret = i2c_bitops_send_address(i2c_bus,msg);
            if ((ret != 0) && !ignore_nack)
                goto out;
        }
        if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
        {//read
            ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
            if(ret < msg->size)
            {
                ret = -1;
                goto out;
            }
        }
        else
        {//write
            ret = i2c_bitops_bus_write(i2c_bus,msg);
            if(ret < msg->size)
            {
                ret = -1;
                goto out;
            }
        }
    }
 ret = i;
out:
 i2c_bitops_stop(i2c_bus);
  
 return ret;
}
int ops_i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *i2c_dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
 return (i2c_bitops_bus_xfer((struct ops_i2c_dev*)(i2c_dev->i2c_phy),msgs,num));
}

a）模擬一根i2c總線時，對外的操作函數都通過上訴函數；i2c信息幀相關參數由上層調用傳遞進入，此處主要增加“struct ops_i2c_dev”的封裝；

b）該函數使用到的函，其中入口參數為“struct ops_i2c_dev”類型的都是模擬i2c相關；

d）模擬i2c封裝實現主要針對“struct ops_i2c_dev”原型的實例化。

2）struct ops_i2c_dev

“struct ops_i2c_dev”原型如下：

struct ops_i2c_dev
{
        void (*set_sda)(int8_t state);
        void (*set_scl)(int8_t state);
        int8_t (*get_sda)(void);
        int8_t (*get_scl)(void);
        void (*delayus)(uint32_t us);
};

a）set_sda：數據線輸出；

b）set_scl：時鐘線輸出；

c）get_sda：數據線輸入（捕獲）；

d）get_scl：時鐘線輸入（捕獲）；

e）delayus：延時函數；

要實現一個模擬i2c，只需將上訴函數指針的實體實現即可，具體看后面描述。

3）模擬i2c時序

以產生i2c起始信號函數為例子，簡要分析：

static void i2c_bitops_start(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
{
    i2c_bus->set_sda(0);                                          
    i2c_bus->delayus(3);
    i2c_bus->set_scl(0);                                                       
}  

入口參數為struct ops_i2c_dev * i2c_bus，其實就是i2c_bitops_bus_xfer應用層函數傳入的參數，最終是在此調用，底層需要實現的就是io模擬的輸入/輸出狀態函數。
其他函數，如

static void i2c_bitops_restart(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
static char i2c_bitops_wait_ack(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
staticinti2c_bitops_send_byte(structops_i2c_dev*i2c_bus,unsignedchardata)

等等，入口參數都是i2c_bus,時序實現與常規裸機程序設計是一致的，不同的是函數指針的分離調用，具體看附件源碼。

4）標識位

在以往的模擬i2c或者硬件i2c中，操作外設時都有各類情況，如讀和寫方向的切換、連續操作（不需啟動i2c總線，如寫EEPROM，先寫地址再寫數據）等。對于這類情況，我們處理辦法是選擇相關的宏標識即可，具體實現由“中間層”實現，讓i2c外設驅動起來更簡單！以上述對外函數為例：

a）通過標識位判斷是讀還是寫狀態

if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
{//read
    ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
    if(ret < msg->size)
    {
        ret = -1;
        goto out;
    }
}

b）應答狀態標識

ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;

5）讀寫函數

讀寫函數最終是通過io口1bit的翻轉模擬出時序，從而獲得數據，這部分與常規模擬i2c一致，通過函數指針方式操作。主要實現接口函數：

static unsigned long i2c_bitops_bus_write(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message *msg);
staticunsignedlongi2c_bitops_bus_read(structops_i2c_dev*i2c_bus,structi2c_dev_message*msg);

5.模擬i2c總線實現

此部分實現源碼為：i2c_hw.c i2c_hw.h

以stm32f1為硬件平臺，采用上述模擬i2c封裝，實現一根模擬i2c總線。

1）實現struct ops_i2c_dev函數實體

除了“delayus”函數外，其余為io翻轉，以“set_sda”和“delayus”為例，實現如下：

static void gpio_set_sda(int8_t state)
{
    if (state)
     I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;
    else
     I2C1_SDA_PORT->BRR = I2C1_SDA_PIN;
}


static void gpio_delayus(uint32_t us)
{
#if 0  
    volatile int32_t i;


    for (; us > 0; us--)
    {
        i = 30;  //mini 17
        while(i--);
    }
#else
        Delayus(us);
#endif
}

a）為例提高速率，上訴代碼采用寄存器方式操作，可以用庫函數操作io口；

b）延時可以用硬件定時器延時，或者軟件延時，具體根據cpu時鐘計算；

c）其他源碼看附件中“i2c_hw.c”

2）初始化一根模擬i2c總線

void stm32f1xx_i2c_init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;          
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);  
 
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C1_SDA_PIN | I2C1_SCL_PIN;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;      
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;      
 GPIO_Init(I2C1_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);               
 I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;            
 I2C1_SCL_PORT->BSRR = I2C1_SCL_PIN;
 
 //device init
 ops_i2c1_dev.set_sda = gpio_set_sda;
 ops_i2c1_dev.get_sda = gpio_get_sda;
 ops_i2c1_dev.set_scl = gpio_set_scl;
 ops_i2c1_dev.get_scl = gpio_get_scl;
 ops_i2c1_dev.delayus = gpio_delayus;
  
 i2c1_dev.i2c_phy   = &ops_i2c1_dev;
 i2c1_dev.xfer    = ops_i2c_bus_xfer; 
}

a）i2c io初始化；

b）i2c設備實例化，其中“ops_i2c1_dev”和“i2c1_dev”即是我們定義的總線設備，后面使用該總線時主要通過“i2c1_dev”實現對底層的調用。

6.驅動EEPROM（AT24C16）

此部分實現源碼為：24clxx.c 24clxx.h

上面總線完成后，驅動一個i2c外設可以說就是信手拈來的事情了，而且模擬i2c總線抽象出來后，不需在做重復調試時序的工作。

假設初始化的i2c設備為i2c1_dev。

1）寫EEPROM

寫一個字節，頁寫算法詳細見源碼附件（24clxx.c）：

char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[1];
     u8 buf[3];
     u8  slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {       
         slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
         buf[0] = (addr >>8)& 0xff;   
         buf[1] = addr & 0xff;
         buf[2] = data;
         ee24_msg[0].size  = 3;
     }
     else
     {
         slave_addr = EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
         buf[0] = addr & 0xff;
         buf[1] = data;
         ee24_msg[0].size = 2;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff = buf;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,1);
  
     return 0;
}

2）讀EEPROM

voidee_24clxx_readbytes(u16 read_ddr, char* pbuffer, u16 read_size)
{ 
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8     slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (read_ddr>>8)& 0xff;
          buf[1] = read_ddr& 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (read_ddr>>8);
          buf[0] = read_ddr & 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[0].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[1].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_RD;
     ee24_msg[1].buff  = (u8*)pbuffer;
     ee24_msg[1].size  = read_size;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
}

3）注意事項

驅動一個外設相對容易了，注意的事項就是標識位部分。

a）此處外設地址（addr），是實際地址，不含讀寫位（7bit），比如AT24C16外設地址為0x50，可能大家平常用的是0xA0，因為包括讀寫位；

b）寫數據時，如果以2幀i2c_dev_message消息發送，需要注意“I2C_BUS_NO_START”宏，此宏標識意思是不需要再次啟動i2c了，一般看i2c外設手冊時序圖可知道。如寫EEPROM是先寫地址，然后寫數據這個過程是連續的，此時就需用到“I2C_BUS_NO_START”標識。程序可改成這樣：

char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8 slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {                                   
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (addr>>8)& 0xff;  
          buf[1] = addr &0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
           slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
           buf[0] = addr &0xff;
           ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[1].addr = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_WR |I2C_BUS_NO_START;
     ee24_msg[1].buff  = &data;
     ee24_msg[1].size  = 1;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
          
     return 0;
}

4）其他

理解之后，或者使用過Linux、RT-Thread的驅動框架的，再驅動其他i2c外設，就是很容易的事情了，剩下的就是配置寄存器、應用算法的問題了。

7.總結

1）整體思路比較易理解，本質就是函數指針，將與硬件底層無關的部分抽象出來，相關聯的地方分層明確，通過函數指針的方式進行調用。

2）事務分離，通用、重復的事情交給總線處理，特殊任務留給外設驅動。

審核編輯：湯梓紅