OpenHarmony 标准系统HDF框架之I2C驱动开发

news2025/1/17 15:18:52

OpenHarmony 标准系统HDF框架之I2C驱动开发

  • 主要内容
  • I2C 基础知识## I2C 基础知识 —— 概念和特性
    • I2C 基础知识 —— 协议、四种信号组合
  • I2C 调试手段## I2C 调试手段 —— 硬件
    • I2C 调试手段 —— 软件
  • HDF 框架下的 I2C 设备驱动## HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 案例描述
    • HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 用户态程序
    • HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动程序入口
    • HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 设备初始化
    • HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动 Dispatch
    • HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动读写
  • 总结

主要内容

  • I2C 基础知识
  • I2C 调试手段
  • HDF 框架下的 I2C 设备驱动

I2C 基础知识## I2C 基础知识 —— 概念和特性

  • I2C（IIC、I2C）集成电路总线，由串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL 组成，对于一个 I2C 接口的器件，至少还需要电源和地线；
  • I2C 总线是双向、半双工传输
  • 支持多主机、多从机同时挂接在一条 I2C 总线上，多主机同时请求总线时，可以通过冲突检测和仲裁机制防止总线数据被破坏
  • 每一个从设备都有唯一的地址，从设备可被寻址（又称为被选中），只有被选中的从设备才能参与通信，每次通信只有一个主设备和一个从设备参与
  • 主设备发起一次通信，从设备响应：主从设备都可以发送和接收数据，SCL 时钟由主设备发出，在工程中常见 MCU 或 SOC 作为主设备，主从设备地位可以交换

在这里插入图片描述

I2C 是串行低速总线，常见传输速度如下：

  • 标准模式（standard-mode）：速率高达 100kbit/s
  • 快速模式（fast-mode）：速率 400kbit/s
  • 快速模式+（fast-mode plus）：速率 1Mbit/s
  • 高速模式（high-speed mode）：速率 3.4Mbit/s

工程中常见兼容标准模式和快速模式的 I2C 从设备

在这里插入图片描述

  • 一条 I2C 总线上的所有从设备都有一个唯一的设备地址，不能与总线上的其他设备地址重复；
  • 设备地址有 7 位和 10 位两种格式，常见 7 位格式
  • I2C 主设备对从设备可执行写操作和读操作，通过写地址和读地址区分写操作和读操作

设备地址 7 位：101000（0x50）写地址 8 位：设备地址左移一位i，末位补 0 ：1010000 （0xA0）读地址 8 位：设备地址左移一位，末位补 1： 1010001 （0xA1）同一个 I2C 设备可能具有多个设备地址，通常可通过从设备的管脚配置，以 I2C 接口的 ROM 芯片 AT24C256 为例：

在这里插入图片描述

  • 如果 A1 和 A0 两个管脚接地，则 7 位设备地址为：1010000（0x50），8 位写地址：1010000（0xA0），8 位读地址：1010001（0xA1）
  • 片内地址、片内偏移、字地址：从设备内部寻址，如内部寄存器地址或 ROM 读写地址等
  • 同一个 I2C 总线上挂载的设备数量受限于总线上最大电容不超过 400pF

I2C 基础知识 —— 协议、四种信号组合

  • I2C 起始信号和停止信号由主设备发出
  • S：时钟信号 SCL 保持高电平、数据信号 SDA 由高到低跳变
  • P：时钟信号 SCL 保持高电平、数据信号 SDA 由低到高跳变
  • 写信号：主或从设备在时钟信号 SCL 为低电平时将数据写到数据线 SDA，即数据线只能在 SCL 为低电平时发生高低跳变
  • 读数据：数据线需要在 SCL 为高电平时保持稳定，同时从或主设备也会在此时从 SDA 上读取数据

在这里插入图片描述

I2C 调试手段## I2C 调试手段 —— 硬件

  • I2C 协议规定，在空闲状态下，总线为高电平：从设备工作电压 VDD，SDA 和 SCL 电压不低于 0.7VDD（低电平不高于 0.3VDD），常见的 VDD 有 1.8V、3.3V、5V 三种规格
  • 高电平通过外挂上拉电阻实现，需要确保上拉电阻有效

在这里插入图片描述

I2C 调试手段 —— 软件

  • 处理器支持多个 I2C 总线，确认 I2C 设备挂载的总线编号：Hi3516DV300 支持 8 路 I2C 总线，编号 0-7
    在这里插入图片描述

  • 开启内核选项：CONFIG_I2C_CHARDEV（make menuconfig）
    在这里插入图片描述

  • 使用 i2c_tools 工具包中的 i2c_detect 命令检测某条总线上挂载的所有设备
    在这里插入图片描述

HDF 框架下的 I2C 设备驱动## HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 案例描述

  • I2C 从设备：AT24C256、EEPROM、256Kb
  • A1 和 A2 两条管脚均接地，则 7 位设备地址为：1010000（0x50），8 位写地址：1010000（0xA0），8 位读地址：1010001（0xA1）
  • 写操作：用户态程序将字地址和数据发送给驱动程序，驱动程序将数据写入设备的字地址
  • 读操作：用户程序将字地址发送给驱动程序，驱动程序从指定的设备字地址读取数据，并将数据返回给用户态程序

具体操作（写操作）：

  • 写操作：32KByte 空间，按照字节寻址，需要 15bit 字地址（7bit 高位 + 8bit 低位），字地址占用两个字节

在这里插入图片描述

  • 起始信号、设备地址（bit0 = 0）、字地址（高字节）、字地址（低字节）、数据

具体操作（读操作）：

  • 读操作：32KByte 空间，按照字节寻址，需要 15bit 字地址（7bit 高位 + 8bit 低位），字地址占用两个字节

在这里插入图片描述

  • 起始信号、设备地址（bit0 = 0）、字地址（高字节）、字地址（低字节）
  • 起始信号、设备地址（bit0 = 1）、接收数据
  • 读操作中包含写操作

HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 用户态程序

  • 应用程序通过服务名绑定驱动程序，和驱动建立联系
#define SAMPLE_SERVICE_NAME "at24_service"

struct HdfIoService *serv = HdfIoServiceBind(SAMPLE_SERVICE_NAME);
if(serv == NULL){
    printf("fail to get service %s \n", SAMPLE_SERVICE_NAME);
    return HDF_FAILURE;
}

对应的 hcs 文件：

i2c_host :: host{
    hostName = "my_i2c_test";
    priority = 100;
    device_i2c :: device {
        device0 :: deviceNode {
            policy = 2;
            priority = 100;
            preload = 0;
            permission = 0664;
            moduleName = "at24_drv";
            serviceName = "at24_service";
            deviceMatchAttr = "at24_driver_attr";
        }
    }
}
  • 用户态程序对驱动或设备的所有操作都基于服务
  • 用户态程序以字节为单位将数据写入设备
#define I2C_RD_CMD    456
#define I2C_WR_CMD    789

static int write _data (struct HdfIoService *serv, uint16_t addr, uint8_t value)
{
    //用户态写操作
    struct HdfSBuf *data = HdfSBufObtainDefault Size();
    if(data == NULL){
        HDF_LOGE("fail to obtain sbuf data");
        ret = HDF_DEV_ERR_NO_MEMORY;
        goto out;
    }
    struct HdfSBuf *reply = HdfSBufObtainDefaultSize();
    HdfSbufWriteUint16(data, addr);
    HdfSbufWriteUint8(data, value);
    serv->dispatcher->Dispatch(&serv->object, I2C_WR_CMD, data, reply);
    HdfSbufReadString(reply);
    printf("Get reply is : %s\n", str);
}
  • 获取两个缓冲区 data 和 reply
  • 将字地址（15bit）和数据（8bit）写入 data 缓冲区
  • 调用 Dispatch 将字地址和数据发送给驱动
  • 读取驱动的返回值

用户态程序读操作：

  • 用户态程序以字节为单位从设备读取数据
#define I2C_RD_CMD    456
#define I2C_WR_CMD    789

static int write _data (struct HdfIoService *serv, uint16_t addr, uint8_t value)
{
    //用户态读操作
    struct HdfSBuf *data = HdfSBufObtainDefault Size();
    if(data == NULL){
        HDF_LOGE("fail to obtain sbuf data");
        ret = HDF_DEV_ERR_NO_MEMORY;
        goto out;
    }
    struct HdfSBuf *reply = HdfSBufObtainDefaultSize();
    HdfSbufWriteUint16(data, addr);
    serv->dispatcher->Dispatch(&serv->object,I2C_RD_CMD, data, reply);
    HdfSbufReadUint8(reply, pval);
    HdfSbufReadString(reply);
    printf("Get reply is : data 0x%hhx, str :%s\n", *pval,  str);
}
  • 获取两个缓冲区 data 和 reply
  • 将字地址（15bit）写入 data 缓冲区
  • 调用 Dispatch 将字地址发送到驱动
  • 读取驱动的返回值

HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动程序入口

  • 驱动程序入口：
struct HdfDriverEntry g_SensorDriverEntry = {
    .moduleVersion = 1,
    .moduleName = "at24_drv",
    .Bind = HdfSensorDriverBind,
    .Init = HdfSensorDriverInit,
    .Release = HdfSensorDriverRelease,
}

HDF_INIT(g_SensorDriverEntry);
  • device_info.hcs 定义设备节点
i2c_host :: host{
    hostName = "my_i2c_test";
    priority = 100;
    device_i2c :: device {
        device0 :: deviceNode {
            policy = 2;
            priority = 100;
            preload = 0;
            permission = 0664;
            moduleName = "at24_drv";
            serviceName = "at24_service";
            deviceMatchAttr = "at24_driver_attr";
        }
    }
}

hcs 设备节点中定义了一个设备私有属性：deviceMatchAttr = “at24_driver_attr”;

static int32_t GetAT24ConfigData(const struct DeviceResourceNode *node)
{    struct DeviceResourceIface *parser = NULL;
    const struct DeviceResourceNode *at24 = NULL;
    parser = DeviceResourceGetIfaceInstance(HDF_CONFIG_SOURCE);
    at24 = parser->GetChildNode(node, "at24Attr");
    parser->GetUint16(at24, "busId", &(tpDevice.busId), 0);
    parser->GetUint16(at24, "addr", &(tpDevice.addr), 0);
    parser->GetUint16(at24, "regLen", &(tpDevice.regLen), 0);
    return HDF_SUCCESS;
}

int32_t HdfSensorDriverInit(struct HdfDeviceObject *deviceObject)
{
    if(GetAT24ConfigData(deviceObject->property) != HDF_SUCCESS){
        HDF_LOGE("%s: get at24 config fail!", __func__);
        return HDF_FAILURE;
    }

    if(at24_init() != HDF_SUCCESS){
        HDF_LOGE("i2c at24 driver init failed!");
        return -1;
    }

    HDF_LOGD("i2c at24 driver init success.");
    return 0;
}
  • 解析 hcs 配置文件中定义的属性 at24_driver_attr, 获取设备的私有属性的值
  • 初始化 i2c 从设备

设备私有属性（i2c_test_config.hcs）

root {
    match_attr = "at24_driver_attr";
    at24Attr {    //节点名字 at24Attr
        busId = 5;    //总线编号    5
        addr = 0x50;    //设备地址    0x50
        regLen = 2;        //地址宽度    2字节
    }
}

全局配置文件（device_info.hcs）

i2c_host :: host{
    hostName = "my_i2c_test";
    priority = 100;
    device_i2c :: device {
        device0 :: deviceNode {
            policy = 2;
            priority = 100;
            preload = 0;
            permission = 0664;
            moduleName = "at24_drv";
            serviceName = "at24_service";
            deviceMatchAttr = "at24_driver_attr";
        }
    }
}

HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 设备初始化

  • 设备初始化
static int32_t at24_init(void)
{
    tpDevice.i2cHandle = i2cOpen(tpDevice.busId);
    return HDF_SUCCESS;
}
功能分类接口名描述
I2C 控制器管理接口I2cOpen打开 I2C 控制器
I2cClose关闭 I2C 控制器
i2c 消息传输接口I2cTransfer自定义传输

HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动 Dispatch

int32_t HdfSensorDriverDispatch(struct HdfDeviceIoClient *client, int id, struct HdfSBuf *data, struct HdfSBuf *reply)
{
    uint16_t addr = 0;
    uint8_t value = 0;

    if(id == I2C_WR_CMD){
        HdfSbufReadUint16(data, &addr);
        HdfSbufReadUint8(data, &value);
        TpI2cWriteReg(&tpDevice, addr, &value, 1);
        HdfSbufWriteString(reply, "write success");
    }
    else if(id == I2C_RD_CMD){
       HdfSbufReadUint16(data, &addr);
        TpI2cWriteReg(&tpDevice, addr, &value, 1);
        HdfSbufWriteUint8(reply, value);
        HdfSbufWriteString(reply, "read success");
    }
}

写数据：

  • 读取两个字节的字地址
  • 读取要写到字地址的数据
  • 执行写操作，参数 1 表示写一个字节数据
  • 返回值给用户程序

读数据：

  • 读取两个字节的字地址
  • 执行读操作，参数 1 表示读一个字节数据
  • 返回值给用户程序

HDF 框架下的 I2C 设备驱动 —— 驱动读写

struct TpI2cDevice{
    uint16_t busId;
    uint16_t addr;
    uint16_t regLen;
    DevHandle i2cHandle;
}

struct I2cMsg{
    uin16_t addr;    //i2c 设备地址
    uintt8_t *buf;    //缓存区
    uint16_t len;        //数据传输长度
    uint16_t flags;        //传输模式 flags，区分读写。
}

static struct TpI2cDevice tpDevice;

static inline int TpI2cReadReg(struct TpI2cDevice *tpDevice, uint16_t regAddr, uint8_t *regData, uint32_t dataLen)
{
    return TpI2cReadWrite()tpDevice, regAddr, regData, dataLen, 1);
}

static inline int TpI2cWriteReg(struct TpI2cDevice *tpDevice, uint16_t regAddr, uint8_t *regData, uint32_t dataLen)
{
    return TpI2cReadWrite()tpDevice, regAddr, regData, dataLen, 0);
}

static int TpI2cReadWrite(struct TpI2cDevice *tpDevice, uint16_t regAddr, uint8_t *regData, uint32_t dataLen, uint8_t flaag)
{
    int index = 0;
    unsigned char regBuf[2] = {0};
    struct I2cMsg msgs[2] = {0};

    if(tpDevice->regLen == 1){
        regBuf[index++] = regAddr & 0xFF;
    }
    else {
        regBuf[index++] = (regAddr >> 8 ) & 0xFF;
        regBuf[index++] = regAddr & 0xFF;
    }

    msgs[0].addr = tpDevice->addr;
    msgs[0].flags = 0;
    msgs[0].len = tpDevice->regLen;
    msgs[0].buf = regBuf;

    msgs[1].addr = tpDevice->addr;
    msgs[1].flags = (flag == 1) ? I2C_FLAG_READ : 0;
    msgs[1].len = dataLen;
    msgs[1].buf = regData;

    if(I2cTransfer(tpDevice->i2cHandle, msgs, 2) != 2)
        return HDF_FAILURE;

    return HDF_SUCCESS;
}
  • 总线编号：busId = 5
  • 设备地址：addr = 0x50
  • 地址宽度：2 字节

读操作：

  • 1 为读标志
  • 设备地址最低有效位为 1

写操作：

  • 0 为写标志
  • 设备地址最低有效位为 0

其中参数说明：

  • regAddr 和 regBuf 存放两个字节的字地址
  • dataLen 表示读写数据的字节长度
  • 读写操作的字地址作为数据写到从设备
  • regData 存放读写的数据
  • flags 区分读写操作
  • I2cTransfer 的返回值表示成功发送的 i2cMsg 数据包数量

总结

  • I2C 基础知识：概念和特性、4 个地址（设备地址、读地址、写地址、字地址）、波形（起始、结束、数据发送、数据接收）
  • I2C 调试手段：电压、上拉电阻、/dev/i2c-x、i2c-tools
  • HDF 框架 I2C 驱动：AT24C256 芯片按照字节寻址方式读写（按照页 64 字节寻址、连续读写）

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