驱动之路#40：I2C通信机制分析（RK3576视角）

在嵌入式开发中，I2C 应该算是出场率非常高的一种通信接口。像触摸芯片、PMIC、电源管理芯片、摄像头 sensor、RTC、EEPROM 等外设，很多都是通过 I2C 挂到主控上的。

调触摸驱动时，我们经常会看到类似这样的信息：

这里的i2c2、reg = <0x5d>到底是什么意思？主控又是怎么通过两根线找到对应外设的？这篇就以 RK3576 为例，简单捋一捋 I2C 的通信机制。

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1. I2C 是什么？

I2C，全称是Inter-Integrated Circuit，直译过来就是“内部集成电路总线”。

不用纠结这个名字，简单理解就是：

I2C 是一种两线制串行通信协议，只需要两根线，就能实现主控和多个外设之间通信。

这两根线分别是：

SDA：SerialData，串行数据线，用来传输数据；SCL：Serial Clock，串行时钟线，用来同步通信节奏。

也就是说，I2C 通信至少需要两根线：一根负责“说话”，一根负责“打节拍”。

在 RK3576 这类 SoC 中，I2C 控制器一般由主控内部提供，比如 I2C0、I2C1、I2C2 等。外部设备则挂在对应的 I2C 总线上。

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2. I2C 通信像什么？

为了好理解，可以把 I2C 通信理解成 RK3576 发起的一次“点名对话”。

假设：

主机：RK3576从设备：GT911 触摸芯片设备地址：0x5d

整个过程大概是：

RK3576：大家注意，我要开始通信了！RK3576：地址是0x5d 的设备在不在？GT911：在！RK3576：我要给你写数据 / 我要从你这里读数据。GT911：收到。RK3576：通信结束，总线释放。

I2C 协议看起来有点绕，但核心流程就是这么回事。

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3. 起始信号：准备通信

I2C 通信开始前，主机会先发送一个起始信号，也就是Start Condition。

条件是：SCL 保持高电平期间，SDA 从高电平跳变为低电平。

这个动作的意思就是：总线上的外设注意，我要开始通信了。

此时挂在这条 I2C 总线上的所有从设备都会“听着”，等待后面的地址匹配。

这里有个关键点：
I2C 总线上，SDA 的变化不是随便什么时候都算有效。一般来说，只有在 SCL 为高电平时，SDA 的跳变才有特殊意义。

比如：

SCL高电平时，SDA 高 -> 低：起始信号SCL 高电平时，SDA 低 -> 高：停止信号

而在数据传输过程中，SDA 通常会在 SCL 低电平期间准备数据，在 SCL 高电平期间保持稳定，供接收方采样。

这些时序一般由 RK3576 的 I2C 控制器自动处理，我们写驱动时通常不用手动去拉高拉低 SDA/SCL。

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4. 从设备地址：喊谁谁应答

起始信号之后，RK3576 会发送从设备地址。

I2C 常见地址是 7bit，再加 1bit 读写控制位，组成 8bit 数据。

格式如下：

前 7 位：从设备地址最后 1 位：读写位0：写1：读

比如 GT911 的设备地址是0x5d，那么 RK3576 会在总线上发出这个地址。

总线上所有从设备都会收到这个地址，但只有地址匹配的设备才会应答。这个应答信号叫ACK。

ACK 的表现是：接收方在第 9 个时钟周期，将 SDA 拉低。

也就是说，I2C 发送 1 个字节并不是只需要 8 个时钟，而是需要 9 个时钟：

前 8 个时钟：传输 8bit 数据第 9 个时钟：传输 ACK 应答

如果主机没有检测到 ACK，通常说明：

设备地址不对；设备没有上电；I2C 引脚配置不对；外设没有正常工作；总线硬件异常。

所以调 I2C 设备时，如果设备一直不应答，第一反应就应该去查地址、供电、复位、pinctrl、上拉电阻这些基础条件。

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5. 数据传输：一个字节一个字节来

地址匹配成功后，就进入真正的数据传输阶段。

I2C 数据传输的单位是字节，也就是 8bit。

并且传输时遵循：高位在前，MSB first。

比如一个字节0xA5，会从最高位 bit7 开始传。

根据读写位不同，通信方向也不同。

写操作

写操作是：RK3576 -> 从设备。比如主控给 GT911 写配置、写寄存器地址等。

过程大概是：

RK3576发送 8bit 数据从设备回复 ACKRK3576 再发送下一个 8bit 数据从设备继续 ACK直到数据发送完成

读操作

读操作是：从设备 -> RK3576。比如主控读取触摸坐标、读取芯片 ID、读取状态寄存器等。

过程大概是：

从设备发送 8bit 数据RK3576 回复 ACK从设备继续发送下一个 8bit 数据RK3576 继续 ACK直到读取完成

以上这些通信细节，大部分由 I2C 控制器和 Linux I2C 子系统帮我们处理好了。我们写驱动时，更多是调用类似i2c_transfer()、i2c_smbus_read_byte_data()这类接口，而不是手动模拟时序。

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6. 停止信号：通信结束

数据传输完成后，主机会发送停止信号，也就是Stop Condition。

条件是：SCL 保持高电平期间，SDA 从低电平跳变为高电平。

这个动作表示：本次通信结束，总线释放。

停止信号发出后，从设备回到等待状态，RK3576 的 I2C 控制器也可以继续和其他外设通信。

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7. I2C 的三个关键信号

通过前面的“点名对话”，可以总结出 I2C 通信里几个最关键的信号。

起始信号 S：SCL 为高电平期间，SDA 由高变低。表示开始通信。

应答信号 ACK：接收方收到 8bit 数据后，在第 9 个时钟周期拉低 SDA。表示数据已收到。

停止信号 P：SCL 为高电平期间，SDA 由低变高。表示通信结束。

理解这三个信号，基本就能看懂 I2C 通信的大致过程了。

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8. I2C 地址冲突怎么办？

I2C 是一条总线上挂多个设备，因此每个从设备都需要有自己的地址。

但实际项目中，可能会遇到两个外设地址一样的情况。比如两个相同型号的触摸芯片，默认地址都一样，那就会冲突。

因为主机一喊0x5d，两个设备都应答，总线就乱套了。针对这种情况，一般有两种解决办法。

方案一：挂到不同 I2C 控制器

RK3576 有多个通用 I2C 控制器，比如 I2C0、I2C1、I2C2 等。如果两个设备地址一样，可以把它们分别挂到不同的 I2C 总线上。

比如：

设备A-> I2C2设备B-> I2C3

这样虽然地址一样，但它们不在同一条总线上，就不会冲突。

方案二：修改从设备地址

有些外设支持通过硬件引脚配置地址。比如某些芯片可以通过拉高或拉低地址选择引脚，切换不同的 I2C 地址。这种情况下，只要硬件设计时把地址区分开，就能避免冲突。

所以画原理图时，I2C 地址一定要提前确认，不然后期调试会很难受。

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9. 调试 I2C 时重点看什么？

实际调 I2C 外设时，不要一上来就怀疑驱动。

可以先按下面几个点查：

[ ]外设供电是否正常？[ ]reset / enable 引脚是否拉到正确电平？[ ]SDA / SCL 是否配置了正确 pinctrl？[ ]I2C 控制器节点 status 是否为 okay？[ ]从设备 reg 地址是否正确？[ ]SDA / SCL 是否有上拉电阻？[ ]是否存在地址冲突？[ ]i2cdetect 能否扫到设备？

很多 I2C 问题，最后都不是协议本身有多复杂，而是供电、复位、地址、pinctrl 这些基础条件没对上。

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10. 总结

I2C 通信总结起来其实就是几个关键词：

两根线：SDA + SCL一个主机：RK3576多个从设备：触摸、PMIC、RTC、EEPROM 等三个信号：Start、ACK、Stop一个地址：通过从设备地址找到目标外设

整个过程就像主控在总线上点名：

开始通信 -> 发送地址 -> 等待应答 -> 读写数据 -> 停止通信

对于驱动开发来说，理解到这一层基本就够用了。再往下深挖，就是更底层的时序、电气特性、模拟电路和数字电路内容了。

那些当然也重要，但对大多数基于 SDK 做外设适配的开发者来说，先搞懂通信流程、地址匹配和 ACK 应答，已经足够解决大部分 I2C 调试问题。

（完）

下期继续聊：为什么 I2C需要上拉？

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