4、I2C/SPI总线驱动开发：I2C协议详解、SPI协议详解、在Android内核中注册I2C/SPI设备、用户空间访问

各位同学，今天我们来聊聊车载传感器开发中最核心的两个总线——I2C和SPI。说实话，我在做车载BSP的这些年，90%的传感器都是挂在这两条总线上的。你想想看，一个智能座舱里，温度传感器、气压传感器、触摸屏、陀螺仪……哪个离得开它们？

我刚开始接触这块时，总觉得协议层的东西太理论，直到有一次在实车上调试一个胎压监测模块，因为I2C时序没调好，数据老是丢包，折腾了整整三天。从那以后，我再也不敢小看这些基础协议了。

4.1 I2C协议详解

I2C，全称Inter-Integrated Circuit，是飞利浦公司搞出来的。它只用两根线——SCL（时钟线）和SDA（数据线），就能挂载多个设备。说白了，就是一条总线上可以同时接多个传感器，每个传感器有自己的地址。

核心特点：

  • 主从架构：Android SoC通常是主设备（Master），传感器是从设备（Slave）。
  • 7位/10位地址：车载传感器大多用7位地址，比如0x48、0x76这种。
  • 速率：标准模式100kHz，快速模式400kHz，高速模式3.4MHz。车载上常用400kHz。

通信流程：

  1. 主设备发送起始条件（SCL高电平时，SDA从高变低）。
  2. 主设备发送7位从设备地址 + 1位读写位（0表示写，1表示读）。
  3. 从设备应答（ACK）：拉低SDA表示收到。
  4. 数据传输：每8位数据后跟一个ACK位。
  5. 主设备发送停止条件（SCL高电平时，SDA从低变高）。

避坑指南：我曾经在一个项目中，发现传感器偶尔不响应。查了半天，原来是上拉电阻选小了。I2C的SDA和SCL必须接上拉电阻，典型值4.7kΩ。如果总线电容大，电阻要选小一点，比如2.2kΩ。不然信号上升沿太慢，从设备根本认不出来。

4.2 SPI协议详解

SPI，全称Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。它比I2C快得多，但线也多。四条线：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。

为什么车载上很多高速传感器用SPI？ 因为SPI是全双工的，可以同时收发数据。而且没有地址概念，每个设备一根片选线，想跟谁说话就拉低谁的CS。速率轻松上10MHz甚至更高。

四种模式：

模式 CPOL（时钟极性） CPHA（时钟相位） 说明
模式0 0 0 空闲时SCLK为低，第一个边沿采样
模式1 0 1 空闲时SCLK为低，第二个边沿采样
模式2 1 0 空闲时SCLK为高，第一个边沿采样
模式3 1 1 空闲时SCLK为高，第二个边沿采样

嗯，这里要注意：传感器数据手册里一定会写它支持哪种模式。我见过有人把模式0的传感器配成模式3，结果读出来的数据全是0xFF。所以拿到一个新传感器，第一件事就是看数据手册的时序图。

4.3 在Android内核中注册I2C/SPI设备

这部分是BSP开发的核心工作。说白了，就是告诉内核：这个I2C总线上挂了一个传感器，地址是多少，用哪个驱动来处理它。

4.3.1 I2C设备注册

在Android内核中，注册I2C设备有两种方式：

方式一：设备树（推荐）

现在主流做法。在dts文件中添加节点：

&i2c3 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <400000>;  // 400kHz

    temperature_sensor: tmp117@48 {
        compatible = "ti,tmp117";
        reg = <0x48>;  // I2C地址
        status = "okay";
    };
};

方式二：板级文件（老项目还在用）

在board-xxx.c中调用i2c_register_board_info()。我个人建议新项目别这么干了，维护起来太痛苦。

4.3.2 SPI设备注册

SPI设备注册也类似，设备树中这样写：

&spi1 {
    status = "okay";
    cs-gpios = <&gpio3 20 GPIO_ACTIVE_LOW>;

    accelerometer: adxl345@0 {
        compatible = "adi,adxl345";
        reg = <0>;  // 片选索引
        spi-max-frequency = <5000000>;  // 5MHz
        status = "okay";
    };
};

个人经验：我习惯在设备树中把reg和spi-max-frequency写清楚。曾经有个同事没写spi-max-frequency，内核用了默认的1MHz，结果传感器数据更新率跟不上，定位轨迹全是锯齿。后来改成5MHz，问题解决。

4.4 用户空间访问

驱动写好了，怎么在应用层读写传感器数据？Android下主要有两种方式。

4.4.1 通过sysfs

内核驱动注册后，会在/sys/bus/i2c/devices/或/sys/bus/spi/devices/下生成设备节点。驱动里实现show/store函数，用户空间就可以用cat/echo来读写。

// 读取温度
cat /sys/bus/i2c/devices/3-0048/temp_input

// 写入配置
echo 0x0C > /sys/bus/i2c/devices/3-0048/config

4.4.2 通过/dev/节点

更灵活的方式。驱动中注册字符设备，生成/dev/i2c-x或/dev/spidevX.Y节点。用户空间可以用ioctl来操作。

#include <linux/i2c-dev.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

int fd = open("/dev/i2c-3", O_RDWR);
ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);  // 设置从设备地址

// 写寄存器
unsigned char buf[2] = {0x00, 0x1C};  // 寄存器地址+数据
write(fd, buf, 2);

// 读数据
unsigned char reg = 0x00;
write(fd, &reg, 1);
read(fd, buf, 2);

注意：在Android中，用户空间访问/dev/节点需要SELinux权限。我曾经在项目上线前才发现，app读不到传感器数据，就是因为SELinux策略没加。记得在file_contexts和te文件中添加对应规则。

好了，这一章的内容就到这里。I2C和SPI是车载传感器的命脉，搞懂了它们，后面写驱动就顺风顺水了。下一章我们聊聊中断和GPIO，这可是传感器数据上报的关键环节。

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