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I2C 开发指南

本文档基于瑞芯微官方文档 Rockchip_Developer_Guide_I2C_CN.pdf（V2.2.0, 2021-12-29）整理，介绍 Rockchip 系列芯片 I2C 总线的使用方法和常见问题排查。

适用范围
  • 芯片平台：所有 Rockchip 芯片
  • 内核版本：所有版本
  • 读者对象：技术支持工程师、软件开发工程师

Rockchip I2C 控制器兼容 I2C 与 SMBus 总线，仅支持主模式，软件可编程时钟频率最高可达 400kbps（部分芯片高达 1000kbps），支持 7 位和 10 位寻址模式。

I2C 硬件连接​

I2C 总线通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有唯一的地址识别，都可以作为发送器或接收器。

I2C 总线的硬件连接需要上拉电阻，改变上拉电阻大小可调节 I2C 总线的上拉强度。

I2C 驱动说明​

Rockchip I2C 在不同芯片、不同内核版本上的驱动不一样：

驱动文件适用内核版本
i2c-rk3x.cLinux 4.4 及以上（主流驱动）
i2c-rockchip.cLinux 3.10 内核

I2C 可以跑的最高频率一般为 1000K。

I2C 传输流程​

I2C 的流程在两个驱动上大致相同：

  • 写操作：单纯的 TX 模式（I2C_CON[1:0] = 2'b00）
  • 读操作：一般使用 TRX 混合模式（I2C_CON[1:0] = 2'b01）

I2C 控制器支持三种传输模式：

模式I2C_CON[1:0]说明
Transmit only mode2'b00纯发送模式
Mix mode2'b01 或 2'b11混合模式（先写后读）
Receive only mode2'b10纯接收模式

详细实现请参考驱动代码。

I2C 驱动参数配置​

I2C 频率配置是最主要的参数。可配置的 I2C 频率除了与芯片有关外，主要由 I2C SCL 上升沿时间决定。I2C 协议标准对上升沿和下降沿时间有规定要求，特别是上升沿时间，如果超过了协议规定的最大值，则 I2C 通讯可能失败。

测量方法

上升沿 Tr 和下降沿 Tf 需要用示波器测量。

i2c-rk3x.c 配置（DTS 配置）​

配置都在设备树中，参考文档：Documentation/devicetree/bindings/i2c/i2c-rk3x.txt

主要配置项：

参数说明
clock-frequencyI2C 频率，默认 100k。最大可配置频率由 i2c-scl-rising-time-ns 决定。例如配置 400k：<400000>
i2c-scl-rising-time-nsSCL 上升沿时间（ns），由硬件决定，改变上拉电阻可调节。需通过示波器测量。默认可不配置
i2c-scl-falling-time-nsSCL 下降沿时间（ns），一般不变。默认可不配置

DTS 配置示例：

&i2c1 {
    status = "okay";
    i2c-scl-rising-time-ns = <265>;
    i2c-scl-falling-time-ns = <11>;
    clock-frequency = <400000>;

    es8316: es8316@10 {
        #sound-dai-cells = <0>;
        compatible = "everest,es8316";
        reg = <0x10>;
        clocks = <&cru SCLK_I2S_8CH_OUT>;
        clock-names = "mclk";
        spk-con-gpio = <&gpio0 11 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        hp-det-gpio = <&gpio4 28 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    };
};

i2c-rockchip.c 配置（代码配置）​

i2c-rockchip.c 驱动（kernel 3.10）的 I2C 频率在代码中配置，通过 i2c_msg 结构体的 scl_rate 成员设置，默认频率为 100k。

示例：

struct i2c_msg xfer_msg;
xfer_msg[0].addr = client->addr;
xfer_msg[0].len = num;
xfer_msg[0].flags = client->flags;
xfer_msg[0].buf = buf;
xfer_msg[0].scl_rate = 200 * 1000;  /* 200K i2c clock frequency */

I2C 使用​

内核空间（Kernel space）​

Rockchip I2C 的读写通信使用 Linux 标准接口，请参考内核文档： Documentation/i2c/writing-clients（Sending and receiving 部分）

用户空间（User space）​

可以通过 /dev/i2c-%d 接口从用户态访问 I2C 总线上的设备。详细说明请参考内核文档： Documentation/i2c/dev-interface

I2C Tools​

i2c-tools 是一个开源工具，需自行下载并交叉编译。

下载地址：

编译后生成的工具：

工具功能
i2cdetect列举 I2C bus 和上面的所有设备
i2cdump显示 I2C 设备所有寄存器的值
i2cget读取 I2C 设备某个寄存器的值
i2cset写入 I2C 设备某个寄存器的值

使用方法请参考工具的 README 与帮助说明。

GPIO 模拟 I2C​

内核已实现 GPIO 模拟 I2C 功能，参考文档： Documentation/devicetree/bindings/i2c/i2c-gpio.txt

DTS 配置示例：

i2c@4 {
    compatible = "i2c-gpio";
    gpios = <&gpio5 9 GPIO_ACTIVE_HIGH>,  /* sda */
            <&gpio5 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;  /* scl */
    i2c-gpio,delay-us = <2>;              /* ~100 kHz */
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&i2c4_gpio>;
    status = "okay";

    gt9xx: gt9xx@14 {
        compatible = "goodix,gt9xx";
        reg = <0x14>;
        touch-gpio = <&gpio5 11 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;
        reset-gpio = <&gpio5 10 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        max-x = <1200>;
        max-y = <1900>;
        tp-size = <911>;
        tp-supply = <&vcc_tp>;
        status = "okay";
    };
};
注意

一般不推荐使用 GPIO 模拟 I2C，效率不高。

I2C 常见问题​

i2c-rk3x.c 驱动​

NACK 错误（返回值 -6 / -ENXIO）​

调用 I2C 传输接口返回 -ENXIO 时，表示 NACK 错误（对方设备无应答响应）。常见原因：

  • I2C 地址错误
  • I2C slave 设备处于不正常工作状态（未上电、上电时序错误、设备异常等）
  • I2C 时序不符合 slave 设备要求（例如 slave 需要 stop 信号而非 repeat start 信号）
  • I2C 总线受外部干扰（可用示波器测量波形确认）

"timeout, ipd: 0x00, state: 1"​

I2C 控制器工作异常，无法产生中断状态，start 时序无法发出。可能原因：

  • I2C SCL 或 SDA 引脚 iomux 配置错误
  • I2C 上拉电压不对（电压不够或上拉电源未开启）
  • I2C 引脚被外设拉住，电压不对
  • I2C 时钟未开启，或时钟源太小
  • I2C 同时配置了 CON_START 和 CON_STOP 位

"timeout, ipd: 0x10, state: 1"​

I2C 控制器工作正常，但 CPU 无法响应 I2C 中断。可能原因：

  • CPU0 被阻塞（I2C 中断一般在 CPU0 上，可通过 cat /proc/interrupts 查看）
  • I2C 中断位被关闭

"timeout, ipd: 0x80, state: 1"​

SCL 被 slave 拉住。判断是哪个 slave 拉住的方法：

  1. 排除法：适用于外设不多、复现概率高的情况
  2. 串电阻法：在 SCL 总线上串入电阻，通过电阻两端压差判断。电压更低的那端外设就是拉低的 slave。电阻选取以上拉电阻的 1/20 以上为宜。可配合示波器抓取波形分析

SDA 被拉低的判断方法同上。

i2c-rockchip.c 驱动​

NACK 错误（返回值 -11 / -EAGAIN）​

与 i2c-rk3x.c 驱动的 NACK 错误原因相同：

  • I2C 地址错误
  • I2C slave 设备工作不正常
  • I2C 时序不符合要求
  • I2C 总线受外部干扰

"timeout, ipd: 0x00 / 0x10 / 0x80"​

与 i2c-rk3x.c 驱动同类错误的排查方法相同。ipd 为 0x80 时，也可能看到 "scl was hold by slave" 的打印。

"i2c is not in idle(state = ×)"​

表示 I2C 总线至少一根线为低：

state 值含义
state = 1SDA 为低
state = 2SCL 为低
state = 3SCL 和 SDA 都为低

解决方法参考上文 SCL/SDA 被拉低的排查方法。

Debug：抓取 I2C 波形​

如果以上情况都不是，最好的办法是抓取 I2C 出错时的波形，通过波形分析问题。大部分 I2C 问题都能通过波形分析出来。

方法：在出错的地方让 CPU 卡住（例如 while(1) 循环），不发起新的 I2C 任务，最后抓到的波形就是出错的波形。如果需要过滤，可以加入设备 I2C 地址的判断条件。

参考资料​

  • 原始文档：Rockchip_Developer_Guide_I2C_CN.pdf V2.2.0
  • 瑞芯微官网：www.rock-chips.com