3. I2C从设备地址与寄存器映射

I2C从设备地址配置与内部寄存器映射是嵌入式驱动开发中连接硬件与软件的核心桥梁。本章将深入解析从设备地址的构成、配置方法、内部寄存器地址空间的布局策略，以及多字节读写协议在Linux内核中的实现方式。

3.1 从设备地址配置

每个I2C从设备在总线上拥有唯一的7位或10位地址。7位地址是最常见的配置方式，由器件固定部分和可配置引脚共同决定。

3.1.1 7位地址结构

3.1.2 设备树中地址配置

在Linux设备树中，通过reg属性指定从设备地址：

&i2c1 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <100000>;

    temperature_sensor: tmp102@48 {
        compatible = "ti,tmp102";
        reg = <0x48>;          /* 7位从设备地址 */
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
    };

    eeprom: at24c02@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;          /* 地址引脚A2/A1/A0全部接地 */
        pagesize = <8>;
        size = <256>;
    };
};

3.2 内部寄存器地址空间

I2C从设备内部通常包含多个寄存器，用于控制、状态读取和数据传输。寄存器地址空间的组织方式直接影响驱动设计的复杂度。

3.2.1 寄存器地址宽度

3.2.2 寄存器映射示例（以TMP102为例）

/* TMP102寄存器映射 */
#define TMP102_REG_TEMP      0x00  /* 温度寄存器（只读，2字节） */
#define TMP102_REG_CONFIG    0x01  /* 配置寄存器（读写，2字节） */
#define TMP102_REG_TLOW      0x02  /* 低温阈值（读写，2字节） */
#define TMP102_REG_THIGH     0x03  /* 高温阈值（读写，2字节） */

/* 配置寄存器位域定义 */
#define TMP102_CFG_SD        BIT(8)  /* 关断模式 */
#define TMP102_CFG_TM        BIT(9)  /* 比较/中断模式选择 */
#define TMP102_CFG_POL       BIT(10) /* 极性 */
#define TMP102_CFG_F0        BIT(11) /* 故障队列位0 */
#define TMP102_CFG_F1        BIT(12) /* 故障队列位1 */
#define TMP102_CFG_R0        BIT(13) /* 分辨率位0 */
#define TMP102_CFG_R1        BIT(14) /* 分辨率位1 */
#define TMP102_CFG_OS        BIT(15) /* 单次转换 */

3.3 多字节读写协议

多字节读写是I2C通信的核心能力，允许一次传输连续访问多个寄存器，提高效率并保证数据一致性。

3.3.1 多字节写流程

3.3.2 多字节读流程

3.3.3 Linux内核多字节读写API

Linux I2C子系统提供标准化的多字节读写接口：

#include <linux/i2c.h>

/* 多字节写：向从设备寄存器地址写入多个字节 */
static int i2c_write_regs(struct i2c_client *client, u8 reg_addr,
                          const u8 *data, int len)
{
    struct i2c_msg msg;
    u8 buf[256];
    int ret;

    /* 构造发送缓冲区：寄存器地址 + 数据 */
    buf[0] = reg_addr;
    memcpy(&buf[1], data, len);

    msg.addr = client->addr;
    msg.flags = 0;              /* 写标志 */
    msg.len = len + 1;
    msg.buf = buf;

    ret = i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);
    if (ret != 1) {
        dev_err(&client->dev, "I2C write failed: %d\n", ret);
        return ret < 0 ? ret : -EIO;
    }
    return 0;
}

/* 多字节读：从从设备寄存器地址读取多个字节 */
static int i2c_read_regs(struct i2c_client *client, u8 reg_addr,
                         u8 *data, int len)
{
    struct i2c_msg msgs[2];
    int ret;

    /* 消息0：写寄存器地址 */
    msgs[0].addr = client->addr;
    msgs[0].flags = 0;          /* 写 */
    msgs[0].len = 1;
    msgs[0].buf = &reg_addr;

    /* 消息1：读数据 */
    msgs[1].addr = client->addr;
    msgs[1].flags = I2C_M_RD;   /* 读 */
    msgs[1].len = len;
    msgs[1].buf = data;

    ret = i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);
    if (ret != 2) {
        dev_err(&client->dev, "I2C read failed: %d\n", ret);
        return ret < 0 ? ret : -EIO;
    }
    return 0;
}

3.4 地址空间映射实战案例

以AT24C02 EEPROM为例，展示完整的寄存器映射与多字节读写实现：

/* AT24C02 EEPROM驱动 - 页写入实现 */
#define AT24C02_PAGE_SIZE   8
#define AT24C02_DEV_SIZE    256

static int at24c02_write_page(struct i2c_client *client, u16 offset,
                              const u8 *data, int len)
{
    struct i2c_msg msg;
    u8 buf[AT24C02_PAGE_SIZE + 2]; /* 2字节地址 + 最多8字节数据 */
    int ret;

    if (len > AT24C02_PAGE_SIZE)
        len = AT24C02_PAGE_SIZE;

    /* 16位地址，高字节在前 */
    buf[0] = (offset >> 8) & 0xFF;
    buf[1] = offset & 0xFF;
    memcpy(&buf[2], data, len);

    msg.addr = client->addr;
    msg.flags = 0;
    msg.len = len + 2;
    msg.buf = buf;

    ret = i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);
    if (ret != 1)
        return ret < 0 ? ret : -EIO;

    /* EEPROM写入需要5ms内部编程时间 */
    msleep(5);
    return 0;
}

/* 跨页写入处理 */
static int at24c02_write(struct i2c_client *client, u16 offset,
                         const u8 *data, size_t count)
{
    int ret;
    size_t written = 0;
    int page_offset;

    while (written < count) {
        /* 计算当前页内剩余空间 */
        page_offset = offset % AT24C02_PAGE_SIZE;
        int chunk = min_t(int, AT24C02_PAGE_SIZE - page_offset,
                          count - written);

        ret = at24c02_write_page(client, offset,
                                 &data[written], chunk);
        if (ret)
            return ret;

        written += chunk;
        offset += chunk;
    }
    return 0;
}

3.5 地址映射调试技巧