一、前言

　　本人熟悉I2C的时序，可以用单片机写I2C驱动程序，但是在linux上使用i2c接口不用我们去定义时序，我只想知道在linux平台上是如何用函数传输I2C数据的，因此本文只讨论linux下如何将I2C用起来。

二、打开设备

　　linux下一切皆文件，I2C设备也是一个文件，我使用的2416开发板上有一组I2C，设备路径为/dev/i2c-0，在2440的开发板上则为/dev/i2c/0，根据平台的不同会有所不同。在使用I2C设备之前要先打开这个设备，代码如下：

fd = open("/dev/i2c/0", O_RDWR);

三、数据读写

　　数据写入用的不是write函数，数据读取也不是用read函数，而是统一用ioctl，用法如下：

　　ioctl的第一个参数传入已经打开的I2C设备的文件描述符，第二个参数传入I2C_RDWR，表示进行数据读写，第三个参数传入一个struct i2c_rdwr_ioctl_data类型的指针，struct i2c_rdwr_ioctl_data类型定义在linux/i2c-dev.h中，其结构定义如下：

struct i2c_rdwr_ioctl_data {
    struct i2c_msg __user *msgs;    /* pointers to i2c_msgs */
    __u32 nmsgs;            /* number of i2c_msgs */
};

　　一个该结构表示一次传输，一次传输可以包含若干个消息，nmsgs用于指定消息数量。一般来说一次写数据包含一个消息，一次读数据包含2个消息，因此写数据时nmsgs的值为1，msgs指向一个消息，读数据时nmsgs为2，msgs指向一个包含2个消息的数组。

　　struct i2c_msg结构定义如下：

struct i2c_msg {
    __u16 addr;    /* slave address            */
    __u16 flags;
#define I2C_M_TEN        0x0010    /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_RD        0x0001    /* read data, from slave to master */
#define I2C_M_NOSTART        0x4000    /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR    0x2000    /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK    0x1000    /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NO_RD_ACK        0x0800    /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_RECV_LEN        0x0400    /* length will be first received byte */
    __u16 len;        /* msg length                */
    __u8 *buf;        /* pointer to msg data            */
};

　　根据注释可知addr指的是I2C设备地址，它可以是7位地址或10位地址（说实话我没见过10位地址的设备），根据设备的实际情况而定。我们只讨论一般情况，即7位地址。

　　这里需要特别注意的是，由于是7位地址，因此不包含读写位，并且是右对齐的，比如一个器件的手册说它的设备读地址为0xAF，写地址为0xAE，它的这种说法是将读写位也代入进来了，因此我们编程时传入的地址为0x57。

　　如果是写数据，第二个成员flags就传0，如果是读数据就传I2C_M_RD。

　　第三个成员就是读或者写的数据长度，第四个成员指向读写缓冲区的地址。这里又有需要注意的地方，I2C设备地址不算入数据长度中，但是寄存器地址要放入数据缓冲区中。

　　写数据的程序如下：

 1 /**
 2  * \brief I2C写数据
 3  * 
 4  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
 5  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
 6  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
 7  * \param[in] data：指向希望写入的数据地址
 8  * \param[in] len：希望写入的字节个数
 9  *
10  * \retval 成功返回0，失败返回-1
11  *
12  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
13  */
14 int i2c_write(int fd, unsigned short dev_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len)
15 {
16     int ret = -1;
17     unsigned char buff[20] = { 0 };
18     
19     buff[0] = reg_addr;
20     memcpy(&buff[1], data, len);
21 
22     //写数据是1个msg
23     struct i2c_msg msg = {
24         .addr = dev_addr,
25         .flags = 0,
26         .len = len + 1,
27         .buf = buff,
28     };
29     
30     struct i2c_rdwr_ioctl_data rdwr_msg = {
31         .msgs = &msg,
32         .nmsgs = 1,
33     };
34     
35     ret = ioctl(fd, I2C_RDWR, &rdwr_msg);
36     
37     return ret;
38 }

　　我们设想一个简单的数据写入过程，向某个8位寄存器写入一个字节时，在I2C总线上发生的事件依次是：起始信号→设备（写）地址→从机应答→寄存器地址→从机应答→要写入的数据→从机应答→停止信号。

　　假设，设备写地址为0xAE，寄存器地址为0x01，写入的数据为0x0F，那么代码如下：

    buf[0] = 0xF0;
    i2c_write(fd, MAX30100_DEV_ADDR, 0x01, buf, 1); //向0x01寄存器写入0xF0

　　用逻辑分析仪抓取到的波形为：

 　　读数据的代码如下：

 1 /**
 2  * \brief I2C读数据
 3  * 
 4  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
 5  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
 6  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
 7  * \param[out] data：存放读取到的数据
 8  * \param[in] len：希望读取的字节个数
 9  *
10  * \retval 成功返回0，失败返回-1
11  *
12  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
13  */
14 int i2c_read(int fd, unsigned short dev_addr,  unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len)
15 {
16     int ret = -1;
17 
18     //读数据有2个msg
19     struct i2c_msg msg[2] = {
20         {
21             .addr = dev_addr,   //设备地址
22             .flags = 0,         //标志，为0表示写数据
23             .len = 1,           //要写的数据的长度
24             .buf = &reg_addr,   //要写的数据的地址
25         },
26         {
27             .addr = dev_addr,   //设备地址
28             .flags = I2C_M_RD,  //标志，I2C_M_RD表示主机向主机读数据
29             .len = len,         //要读取的数据的长度
30             .buf = data,        //读取的数据存放的地址
31         },
32     };
33 
34     struct i2c_rdwr_ioctl_data rdwr_msg = {
35         .msgs = msg,
36         .nmsgs = 2,
37     };
38 
39     ret = ioctl(fd, I2C_RDWR, &rdwr_msg);
40 
41     return ret;
42 }

　　再设想一个简答的数据读出过程，从某个8位寄存器中读出一个字节时，在I2C总线上发生的事件依次是：起始信号→设备（写）地址→从机应答→寄存器地址→从机应答→起始信号→设备（读）地址→从机应答→从机发送寄存器中的数据→主机发送非应答→停止信号。

　　那么调用如下代码就可从寄存器0x01中读出数据：

i2c_read(fd, MAX30100_DEV_ADDR, 0x01, buf, 1);  //从0x01寄存器读取数据

　　用逻辑分析仪抓取波形为：

 　　从写数据和读数据的代码中可以看出，写数据需要一个msg，而读数据需要2个msg，可以这样去理解，一个ioctl会出现一次停止信号，一个msg会出现一次起始信号，在读取数据的过程中需要发送1个停止信号和2个起始信号，因此读数据的代码中有2个msg。

完整代码如下：

　　i2c.c

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <sys/types.h>
  3 #include <sys/stat.h>
  4 #include <fcntl.h>
  5 #include <unistd.h>
  6 #include <string.h>
  7 #include <stdlib.h>
  8 #include <linux/i2c.h>
  9 #include <linux/i2c-dev.h>
 10 #include "i2c.h"
 11 
 12 
 13 /**
 14  * \brief I2C读数据
 15  * 
 16  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
 17  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
 18  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
 19  * \param[in] data：指向希望写入的数据地址
 20  * \param[in] len：希望写入的字节个数
 21  *
 22  * \retval 成功返回0，失败返回-1
 23  */
 24 int i2c_init(unsigned char* dev_path)
 25 {
 26     int fd = 0;
 27     
 28     //打开IIC总线设备节点
 29     fd = open(dev_path, O_RDWR);
 30 
 31     return fd;
 32 }
 33 
 34 /**
 35  * \brief I2C读数据
 36  * 
 37  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
 38  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
 39  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
 40  * \param[in] data：指向希望写入的数据地址
 41  * \param[in] len：希望写入的字节个数
 42  *
 43  * \retval 成功返回0，失败返回-1
 44  *
 45  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
 46  */
 47 int i2c_write(int fd, unsigned short dev_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len)
 48 {
 49     int ret = -1;
 50     unsigned char buff[20] = { 0 };
 51     
 52     buff[0] = reg_addr;
 53     memcpy(&buff[1], data, len);
 54 
 55     //写数据是1个msg
 56     struct i2c_msg msg = {
 57         .addr = dev_addr,
 58         .flags = 0,
 59         .len = len + 1,
 60         .buf = buff,
 61     };
 62     
 63     struct i2c_rdwr_ioctl_data rdwr_msg = {
 64         .msgs = &msg,
 65         .nmsgs = 1,
 66     };
 67     
 68     ret = ioctl(fd, I2C_RDWR, &rdwr_msg);
 69     
 70     return ret;
 71 }
 72 
 73 /**
 74  * \brief I2C读数据
 75  * 
 76  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
 77  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
 78  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
 79  * \param[out] data：存放读取到的数据
 80  * \param[in] len：希望读取的字节个数
 81  *
 82  * \retval 成功返回0，失败返回-1
 83  *
 84  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
 85  */
 86 int i2c_read(int fd, unsigned short dev_addr,  unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len)
 87 {
 88     int ret = -1;
 89 
 90     //读数据有2个msg
 91     struct i2c_msg msg[2] = {
 92         {
 93             .addr = dev_addr,   //设备地址
 94             .flags = 0,         //标志，为0表示写数据
 95             .len = 1,           //要写的数据的长度
 96             .buf = &reg_addr,   //要写的数据的地址
 97         },
 98         {
 99             .addr = dev_addr,   //设备地址
100             .flags = I2C_M_RD,  //标志，I2C_M_RD表示主机向主机读数据
101             .len = len,         //要读取的数据的长度
102             .buf = data,        //读取的数据存放的地址
103         },
104     };
105 
106     struct i2c_rdwr_ioctl_data rdwr_msg = {
107         .msgs = msg,
108         .nmsgs = 2,
109     };
110 
111     ret = ioctl(fd, I2C_RDWR, &rdwr_msg);
112 
113     return ret;
114 }
115 
116 
117 /**
118  * \brief 测试程序
119  */
120 #if 1
121 int main(int argc, const char *argv[])
122 {
123     char buf[16] = { 0 };
124     int fd = 0;
125     
126     fd = i2c_init("/dev/i2c/0");    //初始化I2C设备
127     if (fd < 0) {
128         printf("i2c_init failed\n");
129         return 0;
130     }
131     
132     //i2c_read(fd, MAX30100_DEV_ADDR, 0x01, buf, 1);
133     
134     buf[0] = 0xF0;
135     i2c_write(fd, MAX30100_DEV_ADDR, 0x01, buf, 1); //向0x01寄存器写入0xF0
136     
137     i2c_read(fd, MAX30100_DEV_ADDR, 0x01, buf, 1);  //从0x01寄存器读取数据
138     
139     return 0;
140 }
141 #endif

i2c.h

 1 #ifndef __I2C_H
 2 #define __I2C_H
 3 
 4 #define MAX30100_DEV_ADDR   0x57    //定义MAX30100的设备地址
 5 
 6 
 7 /**
 8  * \brief I2C读数据
 9  * 
10  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
11  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
12  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
13  * \param[in] data：指向希望写入的数据地址
14  * \param[in] len：希望写入的字节个数
15  *
16  * \retval 成功返回0，失败返回-1
17  */
18 extern int i2c_init(unsigned char* dev_path);
19 
20 /**
21  * \brief I2C读数据
22  * 
23  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
24  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
25  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
26  * \param[in] data：指向希望写入的数据地址
27  * \param[in] len：希望写入的字节个数
28  *
29  * \retval 成功返回0，失败返回-1
30  *
31  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
32  */
33 extern int i2c_write(int fd, unsigned short dev_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len);
34 
35 /**
36  * \brief I2C读数据
37  * 
38  * \param[in] fd：I2C设备文件描述符
39  * \param[in] dev_addr：I2C设备地址
40  * \param[in] reg_addr：寄存器地址
41  * \param[out] data：存放读取到的数据
42  * \param[in] len：希望读取的字节个数
43  *
44  * \retval 成功返回0，失败返回-1
45  *
46  * \note 该函数适用于8位从机地址，且寄存器地址只有1个字节的情况
47  */
48 extern int i2c_read(int fd, unsigned short dev_addr,  unsigned char reg_addr, unsigned char* data, unsigned int len);
49 
50 #endif