2. Linux I2C 子系统基础：I2C 总线协议简介、Linux I2C 核心框架、I2C 设备驱动模型

在 Camera Sensor 驱动开发中，I2C 总线是连接主控 SoC 与 Sensor 模组最常用的控制通道。Sensor 的寄存器读写、初始化序列下发、工作模式切换等操作，全部依赖 I2C 通信完成。本章从物理协议、内核框架、驱动模型三个层次，为你建立完整的 I2C 子系统知识体系。

2.1 I2C 总线协议简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种同步、半双工、多主机的串行通信总线，由 Philips 公司（现 NXP）在 1980 年代发明。它仅需两根信号线即可完成设备间的数据交换：串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL。

2.1.1 物理层与电气特性

• SDA（Serial Data Line）： 双向数据线，用于传输地址和数据。
• SCL（Serial Clock Line）： 时钟线，由主设备驱动，同步数据传输。
• 开漏输出 + 上拉电阻： 总线空闲时 SDA 和 SCL 均为高电平；设备通过拉低总线实现“线与”逻辑。
• 多设备挂载： 每个从设备有唯一地址（7 位或 10 位），同一总线上最多可挂载 127 个 7 位地址设备。

2.1.2 通信时序与数据帧格式

一次完整的 I2C 传输包含以下阶段：

1. 起始条件（START）： SCL 高电平时，SDA 由高变低。
2. 从设备地址 + 读写位： 主设备发送 7 位地址 + 1 位 R/W（0=写，1=读）。
3. 应答位（ACK）： 从设备在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA 表示应答。
4. 数据字节传输： 每字节 8 位，MSB 先传，后跟 ACK。
5. 停止条件（STOP）： SCL 高电平时，SDA 由低变高。

2.2 Linux I2C 核心框架

Linux 内核将 I2C 子系统抽象为三层架构：I2C 核心层、I2C 总线驱动层（适配器驱动）、I2C 设备驱动层。Camera Sensor 驱动属于设备驱动层，直接调用核心层提供的 API 与硬件通信。

2.2.1 三层架构总览

2.2.2 核心数据结构与 API

在编写 Sensor 驱动时，你会频繁使用以下核心数据结构和 API：

2.3 I2C 设备驱动模型

Linux 设备驱动模型为 I2C 设备提供了“总线-设备-驱动”的匹配机制。当设备树中描述的 I2C 设备与注册的 i2c_driver 匹配时，内核自动调用驱动的 probe() 函数。

2.3.1 驱动注册与匹配流程

1. 设备注册： 设备树解析或板级代码注册 i2c_board_info，生成 i2c_client 挂到 I2C 总线上。
2. 驱动注册： 调用 i2c_add_driver() 注册 i2c_driver 到 I2C 总线。
3. 匹配： 总线遍历所有 i2c_client，与驱动的 id_table 或设备树 compatible 属性进行匹配。
4. probe() 调用： 匹配成功后，内核调用驱动的 probe() 函数，传入匹配的 i2c_client 指针。
5. 设备初始化： 在 probe() 中完成 Sensor 上电、复位、ID 读取、注册 V4L2 子设备等操作。

2.3.2 i2c_driver 结构体详解

每个 I2C 设备驱动必须定义一个 i2c_driver 结构体，并填充关键回调：

static const struct i2c_device_id sensor_id[] = {
    { "ov5640", 0 },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, sensor_id);

static const struct of_device_id sensor_of_match[] = {
    { .compatible = "ovti,ov5640" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, sensor_of_match);

static struct i2c_driver sensor_i2c_driver = {
    .driver = {
        .name = "ov5640",
        .of_match_table = sensor_of_match,
    },
    .probe    = sensor_probe,
    .remove   = sensor_remove,
    .id_table = sensor_id,
};

module_i2c_driver(sensor_i2c_driver);

2.3.3 设备树中 I2C 设备的描述

在设备树中，Camera Sensor 作为 I2C 总线的子节点出现，必须包含 compatible、reg（I2C 地址）等属性：

&i2c2 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <400000>;  /* 400 kHz 快速模式 */

    ov5640: camera@3c {
        compatible = "ovti,ov5640";
        reg = <0x3c>;           /* 7 位 I2C 地址 */
        clocks = <&clks IMX8MM_CLK_CLKO2>;
        reset-gpios = <&gpio1 9 GPIO_ACTIVE_LOW>;
        powerdown-gpios = <&gpio1 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        AVDD-supply = <&reg_avdd>;
        DVDD-supply = <&reg_dvdd>;
        DOVDD-supply = <&reg_dovdd>;
        port {
            ov5640_ep: endpoint {
                remote-endpoint = <&csi_ep>;
                bus-type = <CSI2_DPHY>;
                data-lanes = <1 2>;
            };
        };
    };
};

2.4 本章小结