1. I2C 总线协议基础

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线由 Philips 公司（现 NXP）于 1980 年代推出，是一种同步、多主从、串行通信总线。它仅需两根信号线（SDA 和 SCL）即可完成设备间的数据交换，是嵌入式系统中传感器、EEPROM、RTC、ADC/DAC 等外设最常用的通信接口之一。理解 I2C 物理层特性与信号时序，是编写正确、高效的 Linux I2C 适配器驱动与从设备驱动的基石。

1.1 物理层特性

1.2 SDA/SCL 信号时序

I2C 总线在空闲状态时，SDA 和 SCL 均为高电平（由上拉电阻拉高）。数据传输过程中，SCL 提供时钟同步，SDA 在 SCL 低电平时改变数据，在 SCL 高电平时被主设备或从设备采样。时序参数包括上升时间（t_r）、下降时间（t_f）、数据建立时间（t_SU;DAT）、数据保持时间（t_HD;DAT）等，不同速率模式下有严格规范。

1.3 起始条件与停止条件

I2C 总线上每一次数据传输都以起始条件（START）开始，以停止条件（STOP）结束。这两个条件由主设备产生，是总线状态转换的关键标志。

• 起始条件（S）： SCL 为高电平时，SDA 从高电平切换到低电平。表示总线从空闲状态进入忙碌状态，开始一次新的传输。
• 停止条件（P）： SCL 为高电平时，SDA 从低电平切换到高电平。表示传输结束，总线恢复空闲状态。
• 重复起始条件（Sr）： 在一次传输过程中，不产生停止条件，直接再次产生起始条件。用于改变数据传输方向（读/写切换）或切换从设备地址，避免总线释放后被其他主设备抢占。

1.4 数据帧格式

I2C 数据传输以字节（8 位）为单位，每个字节后跟随一个应答位（ACK/NACK）。数据帧格式遵循以下规则：

1. 地址帧： 起始条件后，主设备发送 7 位或 10 位从设备地址，后跟 1 位读写标志（R/W）。R/W = 0 表示写操作，R/W = 1 表示读操作。
2. 应答位： 每个字节（包括地址字节）传输完成后，接收方在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA 表示应答（ACK），或保持高电平表示非应答（NACK）。
3. 数据帧： 地址帧应答后，主设备（写模式）或从设备（读模式）发送数据字节，每个字节后跟应答位。
4. 传输结束： 主设备产生停止条件，或通过重复起始条件开始新的传输。

1.5 7 位与 10 位地址模式

I2C 总线支持两种从设备地址模式，驱动开发中需要根据硬件手册正确配置地址格式。

1.6 10 位地址通信流程

10 位地址模式下，主设备发送地址帧分为两个阶段：

1. 首字节： 格式为 11110 A9 A8 R/W，其中 A9 和 A8 为 10 位地址的最高两位，R/W 为读写标志。首字节后跟从设备应答。
2. 次字节： 发送地址的低 8 位（A7 ~ A0），从设备再次应答。
3. 数据传输： 后续数据字节与 7 位模式相同，每个字节后跟应答位。

在 Linux 内核中，10 位地址通过 i2c_msg.addr 字段携带 I2C_TENBIT 标志（值为 0x1000）来标识。适配器驱动在 master_xfer() 中需要检查该标志，并生成对应的两字节地址帧。

/* Linux 内核中 10 位地址标志定义 */
#define I2C_TENBIT      0x1000

/* 构造 10 位地址消息示例 */
struct i2c_msg msg;
msg.addr  = 0x01F0 | I2C_TENBIT;  /* 10 位地址 0x1F0 */
msg.flags = 0;                     /* 写操作 */
msg.len   = 2;
msg.buf   = data_buffer;