3. I2C 寻址机制：7 位寻址与 10 位寻址、广播地址、保留地址

I2C 总线上的每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过发送地址来选择要通信的从设备。理解 I2C 的寻址机制是驱动开发的基础，它决定了设备如何被识别、如何避免冲突以及如何处理特殊总线事件。

3.1 7 位寻址：标准模式与地址格式

7 位寻址是 I2C 最常用的寻址方式，地址范围从 0x00 到 0x7F（共 128 个地址），但其中 16 个地址被保留用于特殊用途，实际可用的从设备地址为 112 个。

7 位地址的传输格式：

• 主设备在 START 条件后发送第一个字节，高 7 位为从设备地址，最低位（LSB）为读写标志位（R/W）。
• R/W = 0：主设备写数据到从设备。
• R/W = 1：主设备从从设备读数据。
• 从设备在第 9 个 SCL 周期发送 ACK 应答。

3.2 10 位寻址：扩展地址空间

当系统中从设备数量超过 112 个时，I2C 规范定义了 10 位寻址模式。10 位地址范围从 0x000 到 0x3FF（共 1024 个地址），与 7 位地址兼容。

10 位地址的传输格式：

• 第一个字节： 高 5 位固定为 11110（保留标识），接着是地址的高 2 位（A9-A8），最低位为 R/W。
• 第二个字节： 地址的低 8 位（A7-A0）。
• 从设备在第一个字节和第二个字节后都需要发送 ACK。

3.3 广播地址与通用呼叫

广播地址（General Call Address）是 I2C 总线上的特殊地址 0x00（7 位），用于主设备向总线上所有从设备发送消息。

广播地址的两种模式：

• 模式 1（最低位为 0）： 主设备发送广播地址后跟数据字节，所有支持广播的从设备必须 ACK 并接收数据。常用于系统复位、状态更新等全局操作。
• 模式 2（最低位为 1）： 主设备发送广播地址后跟硬件通用呼叫（Hardware General Call），用于从设备报告自身地址。

3.4 保留地址：I2C 规范中的特殊地址

I2C 规范保留了 16 个 7 位地址（0x00 - 0x0F）用于特殊总线功能。驱动开发时必须避免将这些地址分配给普通从设备。

3.5 地址分配与驱动开发实践

在 Linux 内核 I2C 驱动开发中，地址管理遵循以下最佳实践：

1. 设备树（Device Tree）中指定地址： 在 dts 文件中通过 reg 属性指定 7 位或 10 位地址。
2. 地址匹配： 驱动通过 i2c_device_id 或 of_match_table 匹配设备地址。
3. 地址探测： 使用 i2c_smbus_read_byte_data 等函数探测设备是否存在，避免使用 i2c_probe 函数（已被弃用）。
4. 动态地址分配： 某些总线管理器（如 PCA954x 多路复用器）支持动态地址分配，驱动需处理 i2c_new_device 或 i2c_new_probed_device。

// Linux 内核 I2C 驱动地址匹配示例
static const struct i2c_device_id sensor_id[] = {
    { "temperature_sensor", 0x48 },  // 7 位地址 0x48
    { }
};

static const struct of_device_id sensor_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,temperature-sensor", .data = (void *)0x48 },
    { }
};

MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, sensor_id);
MODULE_DEVICE_TABLE(of, sensor_of_match);

static int sensor_probe(struct i2c_client *client)
{
    // 检查地址是否在有效范围内
    if (client->addr < 0x08 || client->addr > 0x77) {
        dev_err(&client->dev, "Invalid I2C address 0x%02x\n", client->addr);
        return -EINVAL;
    }
    // 驱动初始化代码
    return 0;
}

3.6 地址冲突检测与故障恢复

当总线上两个从设备使用相同地址时，会发生地址冲突，导致通信失败。驱动开发中需实现以下检测与恢复策略：

• 启动时地址扫描： 驱动初始化时遍历可能地址范围，检测是否有多个设备响应同一地址。
• 唯一标识读取： 通过读取设备 ID 寄存器（如 WHO_AM_I）确认设备身份，避免误匹配。
• 动态地址重映射： 某些设备支持通过 GPIO 或软件命令更改地址，驱动可在检测到冲突后重新配置。
• 总线复位： 当地址冲突导致总线锁死时，驱动需触发 9 个 SCL 时钟脉冲的复位序列。