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本文是个人项目记录（五）I2C子系统控制器驱动：基于i.MX6ULL的嵌入式Linux终端系统构建与多子系统控制器驱动开发—I2C控制器驱动部分的完整开发记录。涵盖框架分析、硬件知识、代码实现、设备树配置、测试验证、调试分析全过程。

项目及文档已开源在我的Github，会随着逐步做完这个项目的BSP部分和驱动部分一直更新，有完整的文档和源码，欢迎Star⭐
仓库地址： [https://github.com/illusOwo-ff/i.MX6ULL-bsp-driver-project]

目录

一、I2C子系统框架

框架三层结构

通信特点

字节传输机制

START/STOP/Repeated START

ACK/NACK的两个方向

Dummy Read

时钟系统

关键结构体

自定义的私有数据结构体

i2c_adapter结构体

i2c_algorithm结构体

二、NXP官方手册

硬件结构（取自NXP官方芯片手册1447页）

寄存器列表

I2CR控制寄存器bit定义

I2SR状态寄存器bit定义

三、函数实现逻辑

注册流程

ISR（中断处理函数）

trx_complete （等待传输完成）

start（发送START + 从机地址）

write（按字节写数据）

read（按字节读数据）

master_xfer（调度函数）

functionality

四、并发保护

五、设备树配置

官方I2C1节点（imx6ull.dtsi）

EVK覆盖（imx6ull-14x14-evk.dts）

引脚选择

我的板级覆盖（imx6ull-my14x14-emmc.dts）

六、测试验证

加载检查

功能测试

​编辑

测试结果

七、调试分析——strace追踪I2C系统调用链

I2C ioctl命令

i2cget调用链（读操作）

i2cset调用链（写操作）

i2cdetect调用链（扫描）

八、遇到的问题与解决

问题1：RXAK检查读到的始终是0

问题2：read函数进入循环后不等待直接返回

一、I2C子系统框架

框架三层结构

I2C 核心层（内核已实现） ↑ 提供 i2c_add_adapter / i2c_transfer 等API I2C 适配器驱动（本项目要写的） ↑ 实现 master_xfer，操作硬件寄存器完成传输 I2C 设备驱动（如传感器驱动、EEPROM驱动）

APP通过I2C Controller与I2C Device传输数据。（APP通过i2c_adapter与i2c_client传输i2c_msg）

通信特点

I2C是同步串行总线，使用两根线：SDA（数据）和SCL（时钟）。主机产生SCL时钟，决定通信速度。

两根线都是开漏结构，外接上拉电阻。这决定了ACK/NACK的物理实现：拉低SDA=ACK，不拉SDA（上拉电阻自然拉高）=NACK。因此I2SR寄存器的RXAK位"0=ACK，1=NACK"。

字节传输机制

I2C所有传输都是按字节进行的：

• 8个SCL时钟：传输8个数据bit（高位先发）

• 1个SCL时钟回应：ACK/NACK（接收方控制SDA）

• 共9个SCL时钟 = 传输一个完整字节

START/STOP/Repeated START

• START：SCL高电平时SDA从高拉低。控制寄存器I2CR的MSTA位写1自动产生。

• STOP：SCL高电平时SDA从低变高。I2CR的MSTA位写0自动产生。

• Repeated START：不经过STOP直接发新START，保持总线占用。I2CR的RSTA位写1产生。

START和STOP不是字节传输，不产生中断。

ACK/NACK的两个方向

• 主机写时：从机决定发ACK/NACK，硬件自动采样存到I2SR的RXAK位。驱动检查RXAK判断从机是否应答。

• 主机读时：主机决定发ACK/NACK，驱动通过I2CR的TXAK位控制（0=ACK，1=NACK）。最后一个字节发NACK告诉从机"别再发了"。

Dummy Read

i.MX6ULL的I2C控制器设计：读I2DR同时做两件事——取出已接收的数据 + 触发硬件开始接收下一个字节。

切换到接收模式后，硬件不会自动开始接收，需要读一次I2DR作为"开始信号"。但此时I2DR里是之前残留的值（垃圾），所以第一次读到的数据要丢弃——这就是dummy read。

时钟系统

IPG时钟（66MHz）→ IFDR寄存器分频（查表，64种离散值）→ SCL时钟（100kHz/400kHz）

I2C分频是查预定义表选最接近的离散值。

关键结构体

自定义的私有数据结构体

ISR为了及时清除中断标志会将硬件I2SR清零，但master_xfer需要检查传输结果（如RXAK位判断ACK/NACK）。ISR在清零前先把I2SR的值存到i2csr，相当于"清除前的状态记录"。

i2c_adapter结构体

注册函数：i2c_add_adapter()（动态分配编号）或i2c_add_numbered_adapter()。动态分配时，I2C核心层内部会通过of_alias_get_id()从设备树aliases节点获取正确编号。

i2c_algorithm结构体

二、NXP官方手册

硬件结构（取自NXP官方芯片手册1447页）

寄存器列表

I2C控制器只有5个寄存器，访问宽度为8位（用readb/writeb）。

I2CR控制寄存器bit定义

I2SR状态寄存器bit定义

三、函数实现逻辑

注册流程

使用平台总线驱动模型：

• init函数中：platform_driver_register()注册platform_driver

• probe函数中：获取资源 → 初始化同步机制 → 配置硬件 → 注册adapter

ISR（中断处理函数）

读I2SR：temp = readb(base + I2SR) ​ 如果 temp & IIF（中断标志置位）： 清除硬件IIF：writeb(0, base + I2SR) ← 必须在ISR里清，因为中断是电平触发 存状态快照：i2csr = temp ← 清除前的值，包含RXAK等信息 唤醒等待进程：wake_up(&queue) return IRQ_HANDLED ​ return IRQ_NONE

IIF必须在ISR里清除：i.MX6ULL的I2C中断是电平触发的，IIF=1时中断线一直有效。如果ISR不清IIF就返回，硬件会立刻再次触发中断，造成中断风暴。

trx_complete （等待传输完成）

清除上次残留状态：i2csr = 0 ← 让wait_event条件为假 等待中断唤醒：wait_event_timeout(queue, i2csr & IIF, 500ms) 如果超时 → return -ETIMEDOUT return 0

这个函数被start、write、read共用，流程是清i2csr → 等中断 → ISR存新的i2csr并唤醒 → 返回后检查i2csr中的RXAK等状态。

start（发送START + 从机地址）

设置控制寄存器产生START

等IBB=1确认START成功

发送从机地址 （7位地址左移1位 | 读写位）

等待地址传输完成 →检查 i2csr & RXAK → NACK(=1)说明从机不存在，返回-ENXIO

write（按字节写数据）

循环 msg->len 个字节： { 写数据到I2DR：writeb(msg->buf[i], base + I2DR) → 硬件产生9个SCL时钟，发送数据，从机回ACK/NACK ​ 等待传输完成：trx_complete() ​ 检查 i2csr & RXAK： RXAK=1(NACK) → return -EIO（传输失败） RXAK=0(ACK) → 继续下一字节 } return 0

read（按字节读数据）

注意最后一个字节必须先STOP再读I2DR，因为读I2DR会触发硬件开始接收下一个字节。如果先读再STOP，硬件已经开始产生不该有的SCL时钟了。先STOP让硬件停止，再读I2DR只是取数据不会触发接收。

第一步：切换到接收模式 → 读I2CR，清MTX位（接收模式） → 如果只读1个字节：设TXAK=1（收完发NACK） → 否则：清TXAK=0（收完发ACK） → 写回I2CR ​ 第二步：dummy read触发接收 → i2csr = 0（清start残留状态） → readb(base + I2DR) ← 丢弃，但触发第1个字节的接收 ​ 第三步：循环读取每个字节 for (i = 0; i < msg->len; i++) { 等待传输完成：trx_complete() → 1个字节接收完成，硬件已自动发了ACK或NACK ​ 如果是倒数第2个字节(i == len-2)： → I2CR置TXAK=1（下一个字节要发NACK） ​ 如果是最后一个字节(i == len-1)： 如果is_lastmsg（整个传输的最后一个msg）： → I2CR清MSTA → 产生STOP（必须在读I2DR之前） 否则（后面还有msg）： → I2CR置MTX → 切回发送模式，为Repeated START准备 ​ 读数据：msg->buf[i] = readb(base + I2DR) → 取出数据 + 触发下一个字节接收（最后字节除外，因为已STOP） } return 0

master_xfer（调度函数）

使能模块 → 等总线空闲 → 发START+从机地址 → 遍历每个i2c_msg（写msg调write按字节发送，读msg调read按字节接收，msg之间用Repeated START）→ 发STOP → 禁用模块。每个字节传输后通过中断+等待队列同步。

functionality

return I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL | I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

I2C_FUNC_SMBUS_EMUL：表示支持SMBus模拟（因为有master_xfer，核心层能用它模拟SMBus）。

四、并发保护

I2C控制器驱动本身不需要自己加锁。I2C核心层在调用master_xfer之前已经对adapter加了bus_lock（mutex），保证同一时间只有一个线程在操作同一个控制器。这跟SPI类似——总线子系统的框架设计就是"核心层管并发，驱动层只管硬件操作"。

master_xfer和ISR之间的同步通过等待队列实现：master_xfer的wait_event_timeout等待，ISR的wake_up唤醒。i2csr作为共享变量由ISR写、master_xfer读，由于ISR中先写i2csr再wake_up，master_xfer醒来后读到的一定是最新值，不需要额外加锁。

五、设备树配置

官方I2C1节点（imx6ull.dtsi）

i2c1: i2c@021a0000 { #address-cells = <1>; /* 子节点reg用1个cell表示I2C从机地址 */ #size-cells = <0>; /* 子节点没有地址范围 */ compatible = "fsl,imx6ul-i2c", "fsl,imx21-i2c"; reg = <0x021a0000 0x4000>; /* 控制器寄存器物理地址和范围 */ interrupts = <GIC_SPI 36 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; clocks = <&clks IMX6UL_CLK_I2C1>; status = "disabled"; };

EVK覆盖（imx6ull-14x14-evk.dts）

&i2c1 { clock-frequency = <100000>; /* 目标SCL频率100kHz */ pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>; /* UART4_TX→I2C1_SCL, UART4_RX→I2C1_SDA */ status = "okay"; mag3110@0e { ... }; /* EVK板上的传感器 */ fxls8471@1e { ... }; };

引脚选择

开发板转接板J7引出了I2C1_SDA和I2C1_SCL，对应的pinctrl已在EVK的dts中定义（UART4_TX/RX引脚复用为I2C1功能），直接复用无需重新定义。

我的板级覆盖（imx6ull-my14x14-emmc.dts）

其他所有属性（reg、interrupts、clocks、clock-frequency、pinctrl、status="okay"）从dtsi和EVK继承，不需要重复写。

六、测试验证

加载检查

功能测试

测试使用板载AP3216C红外光强距离传感器（I2C地址0x1e）和i2c-tools。i2c-tools通过i2c-dev.c（/dev/i2c-X）直接操作I2C总线。

# 扫描总线 i2cdetect -y 0 # 预期：0x1e位置显示"1e"，其他显示"--" # 验证：master_xfer → start → 发地址 → 检查ACK 链路正常 ​ # 写入配置（软复位） i2cset -f -y 0 0x1e 0 0x4 # 验证：write函数能正确发送多字节数据 ​ # 写入配置（开启ALS+PS模式） i2cset -f -y 0 0x1e 0 0x3 # 验证：写入后传感器开始采集数据 ​ # 读取光强数据（word模式，2字节） i2cget -f -y 0 0x1e 0x0c w # 预期：返回光强数值，遮挡/曝光时变化 # 验证：Repeated START + 多字节read + dummy read + TXAK切换 链路正常 ​ # 读取距离数据 i2cget -f -y 0 0x1e 0x0e w # 预期：返回距离数值，靠近/远离时变化 # 验证：读取实时变化的传感器数据，证明每次都是真实I2C传输 ​ # 中断计数验证 cat /proc/interrupts | grep my_i2c # 预期：计数显著增加（每个字节传输触发一次中断）

测试结果

• i2cdetect成功检测到0x1e设备 → START + 地址 + ACK检测链路通过

• i2cset写入配置寄存器成功，传感器模式切换 → write链路通过

• i2cget读到实时变化的传感器数据 → read链路通过（包括Repeated START、dummy read、多字节读）

• /proc/interrupts中断计数持续增长（1148次） → 中断机制正常工作

七、调试分析——strace追踪I2C系统调用链

I2C ioctl命令

i2cget调用链（读操作）

strace -o i2c_trace.log i2cget -f -y 0 0x1e 0x0c w

核心系统调用：

open("/dev/i2c-0", O_RDWR) → 打开I2C适配器设备节点 ioctl(3, I2C_FUNCS, ...) → 查适配器能力（调functionality回调） ioctl(3, I2C_SLAVE_FORCE, 0x1e) → 设从机地址 ioctl(3, I2C_SMBUS, ...) → 执行SMBus读word事务 close(3) → 关闭

I2C_SMBUS在内核中的路径：

ioctl(I2C_SMBUS) → i2c-dev.c: i2cdev_ioctl_smbus() → I2C核心: i2c_smbus_xfer() → 未实现smbus_xfer → i2c_smbus_xfer_emulated() → 构造2个i2c_msg: msg[0]=写寄存器地址, msg[1]=读2字节 → master_xfer → start → write → Repeated START → start → read → stop

i2cset调用链（写操作）

open("/dev/i2c-0", O_RDWR) → 打开设备节点 ioctl(3, I2C_FUNCS, ...) → 查能力 ioctl(3, I2C_SLAVE_FORCE, 0x1e) → 设从机地址 ioctl(3, I2C_SMBUS, ...) → 执行SMBus写字节事务 close(3) → 关闭

i2cdetect调用链（扫描）

open("/dev/i2c-0", O_RDWR) → 打开设备节点 ioctl(3, I2C_FUNCS, ...) → 查能力 循环0x03~0x77每个地址： ioctl(3, I2C_SLAVE, addr) → 设地址 ioctl(3, I2C_SMBUS, ...) → 尝试通信 0x1e返回0（设备存在），其他返回-ENXIO（无设备） close(3) → 关闭

八、遇到的问题与解决

I2C部分比较简单，遇到的问题不多，主要是函数编写的时候逻辑上有问题，以下是问题记录

问题1：RXAK检查读到的始终是0

现象：write函数中发完数据后检查从机ACK，即使从机不存在（应该NACK），也检测不到。

原因：trx_complete中writeb(0, I2SR)清除了整个I2SR（包括RXAK位）。清除后再读硬件I2SR，RXAK已经是0了。

我的解决：将IIF清除移到ISR中（ISR读I2SR后立即清除），检查RXAK时使用ISR存的i2csr状态而非直接读硬件寄存器。这也解决了电平触发中断反复调用ISR的问题。

问题2：read函数进入循环后不等待直接返回

现象：read函数进入循环后，trx_complete立即返回不等待，读到的数据错误。

原因：从start返回时，i2csr里还残留着地址字节传输的状态（IIF=1）。read进入循环调trx_complete，wait_event_timeout检查i2csr & IIF仍然为真，直接返回不睡眠。

我的解决：在trx_complete开头加my_i2c->i2csr = 0统一清除上次残留状态，确保wait_event_timeout条件初始为假。