i2c (inter-integrated circuit)总线是一种由philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。i2c总线最主要的优点就是简单性和有效性。

1.1 i2c总线工作原理

i2c总线是由数据线sda和时钟scl构成的串行总线，各种被控制器件均并联在这条总线上，每个器件都有一个唯一的地址识别，可以作为总线上的一个发送器件或接收器件(具体由器件的功能决定) [1]。i2c总线的接口电路结构如图1所示。

图1 i2c总线接口电路

1.2 i2c总线的几种信号状态

1. 空闲状态：sda和scl都为高电平。

2. 开始条件(s)：scl为高电平时，sda由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

3. 结束条件(p)：scl为低电平时，sda由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

4. 数据有效：在scl的高电平期间， sda保持稳定，数据有效。sda的改变只能发生在scl的底电平期间。

5. ack信号: 数据传输的过程中，接收器件每接收一个字节数据要产生一个ack信号，向发送器件发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。

1.3 i2c总线基本操作

i2c总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（scl），同时控制总线的传输方向，并产生开始和停止条件。

数据传输中，首先主器件产生开始条件，随后是器件的控制字节（前七位是从器件的地址，最后一位为读写位 ）。接下来是读写操作的数据，以及 ack响应信号。数据传输结束时，主器件产生停止条件[1]。具体的过程如图2所示。

图2 完整的i2c数据传输过程

2 linux下i2c驱动程序的分析

2.1 linux系统i2c驱动的层次结构

linux系统对i2c设备具有很好的支持，linux系统下的i2c驱动程序从逻辑上可以分为3个部分：

1. i2c总线的驱动 i2c core ：实现对i2c总线、i2c adapter及i2c driver的管理。

2. i2c控制器的驱动 i2c adapter ：针对不同类型的i2c控制器 ，实现对i2c总线访问的具体方法。

3. i2c设备的驱动 i2c driver ：针对特定的i2c设备，实现具体的功能，包括read, write以及ioctl等对用户层操作的接口。

这三个部分的层次关系如图3和图4所示。

2.2 i2c 总线驱动 i2c core

i2c core是linux内核用来维护和管理的i2c的核心部分，其中维护了两个静态的list，分别记录系统中的i2c driver结构和i2c adapter结构。i2c core提供接口函数，允许一个i2c adatper，i2c driver和i2c client初始化时在i2c core中进行注册，以及退出时进行注销。同时还提供了i2c总线读写访问的一般接口（具体的实现在与i2c控制器相关的i2c adapter中实现），主要应用在i2c设备驱动中。

2.3 i2c控制器的驱动 i2c adapter

i2c adapter是针对不同类型i2c控制器硬件，实现比较底层的对i2c总线访问的具体方法。i2c adapter 构造一个对i2c core层接口的数据结构，并通过接口函数向i2c core注册一个控制器。

i2c adapter主要实现对i2c总线访问的算法，iic_xfer() 函数就是i2c adapter底层对i2c总线读写方法的实现。同时i2c adpter 中还实现了对i2c控制器中断的处理函数。

2.4 i2c设备的驱动 i2c driver

i2c driver中提供了一个通用的i2c设备的驱动程序，实现了字符类型设备的访问接口，对设备的具体访问是通过i2c adapter来实现的。i2c driver构造一个对i2c core层接口的数据结构，通过接口函数向 i2c core注册一个i2c设备驱动。同时i2c driver 构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册为一个主设备号为89的字符类型设备。

i2c driver实现用户层对i2c设备的访问，包括open，read，write，ioctl，release等常规文件操作，我们可以通过open函数打开 i2c的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过 read和write函数完成对i2c设备的读写操作。

通过i2c driver提供的通用方法可以访问任何一个i2c的设备，但是其中实现的read，write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现，所有的操作数据都是基于字节流，没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用i2c设备，我们可以为一个具体的i2c设备开发特定的i2c设备驱动程序，在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。

3 一个具体的i2c设备驱动程序的开发

ds1307是一款小巧的i2c接口的实时时钟芯片，具有低功耗，全bcd码时钟和日历输出， 12 /24小时工作模式，时分秒、星期、年月日计时