基于模拟 I2C 的数据抽象实例（附代码）

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作者 |  Acuity

1.写在前面

i2c总线是由PHILIPS公司开发的一种简单、「双向二线制同步串行总线」。关于i2c的使用，并不陌生，C51、ARM、MSP430等，都基本集成硬件i2c，或者不集成i2c的，可以根据总线时序图使用普通IO口翻转模拟一根i2c总线。

对于流行的stm32饱受诟病的硬件i2c，相信很多人都是使用模拟i2c。模拟i2c的源码比较多，大多都是大同小异，对于各类例程，提供的模拟i2c似乎都不是太规范（个人见解），特别是一根i2c总线挂多个外设、模拟多根i2c总线、以及更换一个i2c外设时，都需要大幅度修改源码、复制源码、重新调试时序等重复的工作。

在阅读过Linux设备驱动框架和RT-Thread的驱动框架，发现在总线分层上处理就特别好，完美解决了上述提及的问题。参考RT-Thread和Linux下的模拟i2c，整理修改在裸机上使用。

2.Linux、RT-Thread设备驱动模型

1）模型分为总线驱动和设备驱动；

2）  总线驱动与外设驱动分离，方便一根总线挂多个外设，方便移植；

3）  底层（与硬件相关）与上层分离，方便添加总线及移植到不同处理器，移植到其他处理器，只需重新实现硬件相关的“寄存器”层即可；

3.MCU下裸机形式i2c总线抽象

此部分实现源码为：i2c_core.c  i2c_core.h

1）i2c总线抽象对外接口（API）

“i2c_bus_xfer”为i2c封装对外的API，函数原型如下，提供一个函数模型，具体需要实例化函数指针。

int i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
 int size;
 
 size = dev->xfer(dev,msgs,num); 
 return size;
}
a）此函数即作为驱动外设的对外接口，所有操作通过此函数接口，与底层总线实现分离，如EEPROM、RTC、温度传感器等；

b）一个对外函数已经实现90%的情况使用，对应一些特殊情况，后期再完善或增加API。

c）struct i2c_dev_device *i2c_dev

2）i2c总线抽象API参数

a）i2c_dev：i2c设备指针，类型为“struct i2c_dev_device”，驱动一个i2c外设时，首先要对此指针设备初始化；

b）msgs：i2c一帧数据，发送数据及存放返回数据的缓存；

c）num：数据帧数量。

3）struct i2c_dev_device

该结构体为关键，调用API驱动外设时，首先对此初始化（类似于Linux/RT-Thread注册设备）。完整的设备包括两部分，数据操作函数和i2c相关信息（如硬件i2c或者模拟i2c）。因此“struct i2c_dev_device”的原型为：

struct i2c_dev_device
{
    int (*xfer)(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num);
    void *i2c_phy;
};
a）第一个参数是函数指针，数据收发通过此函数指针调用实体函数实现；

b）第二个参数是一个void指针，初始化时指向我们使用的物理i2c（硬件/模拟），使用时可强制转换为对应的类型。

4）xfer

该函数与i2c总线设备对外接口函数“i2c_bus_xfer”具有相同的参数，形参参数参考此项的第2点，初始化时实例化指向实体函数。

5）struct i2c_dev_message

“struct i2c_dev_message”为i2c总线访问外设的一帧数据信息，包括发送数据、外设从地址、访问标识等。原型如下：

struct i2c_dev_message
{
 unsigned short  addr;
 unsigned short flags;
 unsigned short size;
 unsigned char *buff;
 unsigned char   retries;  
};
a）addr：i2c外设从机地址，常用为7位，10位较少用；

b）flags：标识，发送、接收、应答、地址位选择等标识；几种标识如下：

#define I2C_BUS_WR             0x0000
#define I2C_BUS_RD             (1u << 0)
#define I2C_BUS_ADDR_10BIT     (1u << 2)
#define I2C_BUS_NO_START      (1u << 4)
#define I2C_BUS_IGNORE_NACK    (1u << 5)
#define I2C_BUS_NO_READ_ACK    (1u << 6)
c）size：发送的数据大小，或者接收的缓存大小；

d）buff：缓存区；

e）retries：i2c启动失败时，重启的次数。

4.模拟i2c抽象

对于模拟i2c，在以往的实现方式中，基本是时序图和外设代码混合在一起，增加外设或者使用新的i2c外设时，需要对模拟i2c代码进行较大工作量的修改，或者以“复制”的方式实现一套新的i2c总线。

但同理，可以把模拟i2c时序部分代码抽象出来，以“复用”代码的形式实现。此部分实现源码为：i2c_bitops.c  i2c_bitops.h

1）模拟i2c抽象对外接口

根据上述封装的对外API，使用时，首先需要实现入口参数“i2c_dev”实例化，用模拟i2c即是调用模拟i2c相关接口。

int i2c_bitops_bus_xfer(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned long num)
{
 struct i2c_dev_message *msg;
 unsigned long i;
 unsigned short ignore_nack;
 int ret;
 
 ignore_nack = msg->flags