3. I2C地址与寻址：7位地址格式、10位地址格式、广播地址、保留地址、地址冲突检测

I2C总线采用从设备地址来区分总线上的多个设备。主设备在每次通信开始时，都会先发送一个地址字节（或两个字节）来指定要通信的从设备。理解地址格式、保留地址以及冲突检测机制，是进行I2C驱动开发和调试的基础。

3.1 7位地址格式

7位地址是I2C最常用的地址格式，地址范围从 0x00 到 0x7F（共128个地址），但其中 0x00 到 0x07 和 0x78 到 0x7F 被保留用于特殊用途，实际可用的地址约为112个。

在7位地址模式下，主设备发送的第一个字节由7位地址和1位读写标志位组成：

| 起始条件 | 7位地址 (A6..A0) | R/W# | 应答位 (ACK) | 数据字节... | 停止条件 |

例如，一个7位地址为 0x50（EEPROM AT24C02的典型地址）的写操作，主设备发送的字节为 0xA0（即 0x50 << 1 | 0）。

3.2 10位地址格式

当系统中需要挂载超过112个I2C设备时，可以使用10位地址格式。10位地址兼容7位地址，通过保留地址 0xF0 到 0xF7 来标识。

10位地址的传输需要两个字节：

例如，10位地址 0x2B4（二进制 10 1011 0100）的传输过程：

1. 主设备发送起始条件
2. 发送第1字节：1111 0 10 + R/W#（高2位 10 放在前缀后）
3. 等待从设备应答
4. 发送第2字节：1011 0100（低8位）
5. 等待从设备应答
6. 开始数据传输

3.3 广播地址与保留地址

I2C规范定义了一些保留地址，用于特殊总线管理功能：

3.4 地址冲突检测

I2C总线上的地址冲突是指两个或多个从设备使用了相同的7位或10位地址。由于I2C从设备不会主动发起通信，地址冲突不会立即导致总线错误，但会导致主设备无法正确与目标设备通信。

地址冲突的典型表现：

• 无应答（NACK）：主设备发送地址后，总线上没有设备应答（所有从设备都处于高阻态）
• 数据错误：多个设备同时应答，导致数据线（SDA）被同时拉低和释放，产生不确定的逻辑电平
• 总线挂死：冲突导致SDA或SCL被异常拉低，总线无法释放

在驱动开发中，检测地址冲突的常用方法：

1. 扫描探测：主设备依次向每个可能的地址发送“伪读”请求（发送地址 + R，然后立即发送停止条件），检查是否有ACK应答
2. 寄存器回读验证：向设备写入已知数据，再读取同一寄存器，比较读写值是否一致
3. 设备ID读取：部分I2C设备支持读取设备ID寄存器，可用于唯一标识设备

# 扫描I2C总线0上的所有设备
i2cdetect -y 0

# 输出示例（地址冲突时，同一地址出现多个设备标记）
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- 46 -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: 50 50 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --  ← 地址0x50出现两次，冲突！
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- -- --

3.5 地址格式与寻址流程SVG

下图展示了7位地址和10位地址在I2C总线上的完整寻址流程，以及地址冲突的检测点：

3.6 地址配置与驱动代码示例

在ARM Linux驱动中，I2C设备地址的配置通常通过设备树或板级文件完成。以下是一个典型的设备树节点示例：

/* 设备树中配置I2C从设备地址 */
&i2c0 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <100000>;  /* 标准模式100kHz */

    /* 7位地址设备：温度传感器 */
    temp_sensor: lm75@48 {
        compatible = "national,lm75";
        reg = <0x48>;           /* 7位地址 0x48 */
    };

    /* 10位地址设备示例（假设支持） */
    eeprom@2b4 {
        compatible = "atmel,24c1024";
        reg = <0x2b4>;          /* 10位地址 0x2B4 */
        reg-names = "eeprom";
    };
};

在驱动代码中，通过 i2c_client 结构体获取地址并进行通信：

#include <linux/i2c.h>

static int my_driver_probe(struct i2c_client *client,
                           const struct i2c_device_id *id)
{
    struct i2c_adapter *adapter = client->adapter;
    u16 addr = client->addr;  /* 获取7位或10位地址 */

    dev_info(&client->dev, "设备地址: 0x%02x\n", addr);

    /* 检查地址是否在保留范围内 */
    if (addr < 0x08 || addr > 0x77) {
        dev_warn(&client->dev, "地址 0x%02x 在保留地址范围内\n", addr);
        return -EINVAL;
    }

    /* 检查是否支持10位地址 */
    if (i2c_check_functionality(adapter, I2C_FUNC_10BIT_ADDR)) {
        dev_info(&client->dev, "适配器支持10位地址\n");
    }

    /* 发送广播地址（复位所有设备） */
    if (addr == 0x00) {
        struct i2c_msg msg;
        u8 buf[] = {0x04};  /* 复位命令 */
        msg.addr = 0x00;
        msg.flags = 0;      /* 写操作 */
        msg.len = 1;
        msg.buf = buf;
        i2c_transfer(adapter, &msg, 1);
    }

    return 0;
}

3.7 本章小结