I2C/SPI 通信协议基础：时序、原理与 Linux 内核操作

摄像头传感器通常通过 I2C 或 SPI 总线与主控 SoC 连接，用于寄存器配置、参数读写和固件加载。理解这两种协议的时序特征和内核操作方法是驱动开发的基础。本章将深入分析 I2C 与 SPI 的物理层时序、数据帧结构，并给出 Linux 内核中操作对应设备的标准化流程。

2.1 I2C 协议时序详解

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种同步、多主从、2 线制的串行通信协议。物理层由串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）组成，两条线均需上拉电阻。

2.1.1 I2C 基本时序单元

2.2 SPI 协议时序详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步、全双工、主从式的 4 线制串行通信协议。四条信号线分别为：串行时钟（SCLK）、主出从入（MOSI）、主入从出（MISO）、片选（CS）。

2.2.1 SPI 四种模式（CPOL / CPHA）

2.3 Linux 内核中操作 I2C 设备

Linux 内核将 I2C 设备抽象为 struct i2c_client，通过 I2C 核心层提供的 API 进行寄存器读写。驱动开发人员通常使用 i2c_smbus_read_byte_data 和 i2c_smbus_write_byte_data 等封装函数。

2.3.1 I2C 设备驱动核心 API

2.3.2 I2C 驱动示例：摄像头传感器寄存器读写

#include <linux/i2c.h>
#include <linux/module.h>

static int sensor_read_reg(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 *val)
{
    int ret;
    struct i2c_msg msg[2];
    u8 tx_buf = reg;
    u8 rx_buf;

    /* 写寄存器地址 */
    msg[0].addr = client->addr;
    msg[0].flags = 0;               /* 写 */
    msg[0].len = 1;
    msg[0].buf = &tx_buf;

    /* 读寄存器值 */
    msg[1].addr = client->addr;
    msg[1].flags = I2C_M_RD;        /* 读 */
    msg[1].len = 1;
    msg[1].buf = &rx_buf;

    ret = i2c_transfer(client->adapter, msg, 2);
    if (ret == 2) {
        *val = rx_buf;
        return 0;
    }
    return -EIO;
}

static int sensor_write_reg(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 val)
{
    u8 buf[2] = {reg, val};
    return i2c_smbus_write_byte_data(client, reg, val);
}

2.4 Linux 内核中操作 SPI 设备

SPI 设备在内核中表示为 struct spi_device，通过 SPI 核心提供的 spi_write_then_read 或 spi_sync_transfer 进行全双工通信。摄像头传感器通常使用 SPI 进行固件下载或高速寄存器批量配置。

2.4.1 SPI 设备核心 API

2.4.2 SPI 驱动示例：摄像头传感器批量寄存器配置

#include <linux/spi/spi.h>

struct sensor_reg_val {
    u16 reg;
    u8  val;
};

static int sensor_spi_write_regs(struct spi_device *spi,
                                 const struct sensor_reg_val *table, int count)
{
    int ret, i;
    u8 tx_buf[3];  /* 16位地址 + 8位数据 */

    for (i = 0; i < count; i++) {
        tx_buf[0] = (table[i].reg >> 8) & 0xFF;  /* 地址高字节 */
        tx_buf[1] = table[i].reg & 0xFF;         /* 地址低字节 */
        tx_buf[2] = table[i].val;                /* 数据 */

        ret = spi_write(spi, tx_buf, 3);
        if (ret < 0) {
            dev_err(&spi->dev, "SPI write reg 0x%04x failed\n", table[i].reg);
            return ret;
        }
    }
    return 0;
}

2.5 设备树配置要点

在 Linux 设备树中，I2C 和 SPI 设备节点需要正确描述总线频率、地址、模式等参数。以下为摄像头传感器设备树片段示例：

/* I2C 摄像头传感器节点 */
&i2c2 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <400000>;  /* 400kHz 快速模式 */

    sensor0: camera@36 {
        compatible = "sony,imx290";
        reg = <0x36>;            /* 7位 I2C 地址 */
        reset-gpios = <&gpio3 15 GPIO_ACTIVE_LOW>;
        dvdd-supply = <&reg_1v2>;
    };
};

/* SPI 摄像头传感器节点 */
&spi1 {
    status = "okay";
    cs-gpios = <&gpio4 10 GPIO_ACTIVE_LOW>;

    sensor1: camera@0 {
        compatible = "ovt,ov5640-spi";
        reg = <0>;               /* 片选索引 */
        spi-max-frequency = <20000000>;  /* 20MHz */
        spi-cpol;                /* 模式 2 或 3 */
        spi-cpha;
    };
};

2.6 I2C 与 SPI 选型对比