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RK3588 kernel-6.1/drivers/i2c/algos 目录功能详细分析

RK3588 kernel-6.1/drivers/i2c/algos 目录功能详细分析

1. 文档范围

本文分析目录：

  • 源码：rk3588/kernel-6.1/drivers/i2c/algos
  • 文档：linuxDoc/drivers/i2c/

核心定位： algos/ 提供 I2C 传输算法（struct i2c_algorithm） 的软件实现，本身不直接操作具体 SoC 硬件。各 bus 控制器驱动（busses/）或 GPIO I2C 驱动 负责提供底层读写 SDA/SCL 或桥接芯片寄存器的回调，再调用 i2c_bit_add_bus() / i2c_pca_add_bus() / i2c_pcf_add_bus() 将算法挂到 i2c_adapter 上。

2. 在 I2C 子系统中的位置

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i2c-core (i2c_transfer)
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adapter->algo->master_xfer()     ← algos/ 目录实现
        │
        ├── i2c-algo-bit.c   (软件位带 START/STOP/字节/ACK)
        ├── i2c-algo-pca.c   (PCA9564/9665 状态机)
        └── i2c-algo-pcf.c   (PCF8584 状态机)
        │
        ▼
busses/*.c 提供的底层回调
  例: i2c-gpio.c → setsda/setscl/getsda/getscl
      i2c-pca-platform.c → read_byte/write_byte/wait_for_completion

与 RK3588 内置 I2C（i2c-rk3x.c）的关系：

对比项 algos/ i2c-rk3x.c
角色 通用 算法库 硬件主机控制器
master_xfer bit/pca/pcf 软件实现 rk3x_i2c_xfer 寄存器+中断
RK3588 默认 通常不启用（有硬件 I2C） 主要路径
可选场景 CONFIG_I2C_GPIO + I2C_ALGOBIT 用 GPIO 模拟 I2C 所有 i2c0～i2c7

3. 目录与构建

3.1 文件列表

文件 说明
i2c-algo-bit.c 位带（bit-banging）算法，最常用
i2c-algo-pca.c NXP PCA9564 / PCA9665 并行总线桥算法
i2c-algo-pcf.c Philips PCF8584 算法
i2c-algo-pcf.h PCF8584 寄存器位定义（内部头文件）
Makefile / Kconfig 三模块独立编译选项

3.2 Kconfig

选项 模块 功能
I2C_ALGOBIT i2c-algo-bit.ko GPIO/并口等位带 I2C
I2C_ALGOPCA i2c-algo-pca.ko PCA9564/9665 桥
I2C_ALGOPCF i2c-algo-pcf.ko PCF8584 桥

顶层 drivers/i2c/Kconfig 中 I2C_HELPER_AUTO（默认 y）会在需要时自动选中对应 algo，无需手动配置。

menu "I2C Algorithms" 仅在 !I2C_HELPER_AUTO 时对用户可见。

4. 算法层设计模式（共性）

三类算法均遵循同一模式：

  1. Bus 驱动 分配 i2c_adapter，在 algo_data 中填入硬件相关结构体；
  2. 调用 i2c_*_add_bus() / i2c_*_add_numbered_bus()；
  3. Add 函数内设置 adap->algo = &xxx_algo，再 i2c_add_adapter()；
  4. Core 调用 adap->algo->master_xfer() 完成传输。

对外导出的符号（供 bus 驱动链接）：

算法 导出接口 算法结构体
bit i2c_bit_add_bus, i2c_bit_add_numbered_bus i2c_bit_algo
pca i2c_pca_add_bus, i2c_pca_add_numbered_bus 内部 pca_algo
pcf i2c_pcf_add_bus 内部 pcf_algo

5. i2c-algo-bit.c — 软件位带算法（核心）

5.1 适用场景

  • 无专用 I2C 硬件 IP，仅用 GPIO 或并口线模拟 SDA/SCL；
  • 老平台、FPGA、扩展板、调试用 bit-bang；
  • RK3588 上对应驱动：busses/i2c-gpio.c（compatible = "i2c-gpio"）。

5.2 底层回调结构（include/linux/i2c-algo-bit.h）

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struct i2c_algo_bit_data {
    void *data;
    void (*setsda)(void *data, int state);
    void (*setscl)(void *data, int state);
    int  (*getsda)(void *data);
    int  (*getscl)(void *data);      /* 可选，NULL 则无法检测 clock stretch */
    int  (*pre_xfer)(struct i2c_adapter *);
    void (*post_xfer)(struct i2c_adapter *);
    int udelay;                      /* 半时钟周期延时 (us) */
    int timeout;                     /* SCL 拉高等待 (jiffies) */
    bool can_do_atomic;
};

Bus 驱动只需实现 拉高/拉低/读取 SDA/SCL；时序由 algo 统一完成。

5.3 时序原语

函数 I2C 语义
i2c_start() START：SDA 高→低，SCL 高→低
i2c_repstart() Repeated START
i2c_stop() STOP：SCL 高，SDA 低→高
i2c_outb() 发送 8 bit + 读 ACK
i2c_inb() 接收 8 bit
sclhi() SCL 置高并等待（支持 clock stretching 检测）

udelay 决定速率：例如 udelay=5 约对应标准模式量级（需结合上升沿实测）。

5.4 传输主流程 bit_xfer()

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pre_xfer (可选)
  → i2c_start()
  → 对每条 i2c_msg:
       若非 I2C_M_NOSTART: bit_doAddress() (7/10 位地址 + 重试)
       若 I2C_M_RD: readbytes() + ACK/NAK
       否则: sendbytes()
  → i2c_stop()
post_xfer (可选)

支持特性（bit_func()）：

  • 标准 I2C、SMBus 模拟（含 block read I2C_M_RECV_LEN）；
  • I2C_M_NOSTART、I2C_M_STOP、I2C_M_IGNORE_NAK；
  • 10 位地址 I2C_M_TEN；
  • master_xfer_atomic（需 can_do_atomic）。

5.5 总线自检 test_bus()

i2c_bit_add_bus() 时若 bit_test 模块参数非 0，会：

  • 检查 SDA/SCL 是否空闲；
  • 拉低/拉高 SDA、SCL 验证线路未 stuck；
  • bit_test=2 时失败则拒绝注册 adapter。

5.6 依赖本算法的 bus 驱动（节选）

驱动 平台/用途
i2c-gpio.c GPIO 模拟 I2C（与嵌入式最相关）
i2c-parport.c 并口
i2c-acorn.c Acorn
i2c-hydra.c Mac Hydra
i2c-via.c VIA 芯片组
i2c-simtec.c Simtec 板
i2c-versatile.c ARM Versatile

5.7 RK3588 上的 i2c-gpio 示例

i2c-gpio.c 通过 GPIO 子系统获取 sda/scl，填入 i2c_algo_bit_data，最后：

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ret = i2c_bit_add_numbered_bus(adap);

设备树典型节点：

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i2c_gpio: i2c-gpio {
    compatible = "i2c-gpio";
    gpios = <&gpio SDA GPIO_ACTIVE_HIGH>,
            <&gpio SCL GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    i2c-gpio,delay-us = <5>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
};

RK3588 默认 defconfig 通常不启用 I2C_GPIO，仅在缺硬件通道或特殊板级需要时打开。

6. i2c-algo-pca.c — PCA9564/PCA9665 算法

6.1 适用场景

NXP PCA9564 / PCA9665 为 I2C 转并行总线 的桥接芯片：主机通过访问桥上的寄存器，由芯片硬件状态机产生 SDA/SCL 波形。

6.2 底层回调（include/linux/i2c-algo-pca.h）

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struct i2c_algo_pca_data {
    void *data;
    void (*write_byte)(void *data, int reg, int val);
    int  (*read_byte)(void *data, int reg);
    int  (*wait_for_completion)(void *data);  /* 等待 SI 中断 */
    void (*reset_chip)(void *data);
    unsigned int i2c_clock;
    unsigned int chip;                        /* 9564 or 9665 */
    struct pca_i2c_bus_settings bus_settings;
};

Bus 驱动（i2c-pca-platform.c、i2c-pca-isa.c）负责 MMIO/ISA 端口读写与中断等待。

6.3 寄存器与芯片差异

寄存器 PCA9564 PCA9665
控制 I2C_PCA_CON (STA/STO/SI/ENSIO) 间接寄存器 I2C_PCA_INDPTR + I2C_PCA_IND
数据 I2C_PCA_DAT 同上
状态 I2C_PCA_STA (类似 0xF8 idle) 状态机码相同风格

pca_probe_chip()：写 I2C_PCA_IADR 探测是否为 9665，否则按 9564 处理。

6.4 传输状态机 pca_xfer()

基于 状态寄存器值（如 0xF8 idle、0x08 START 已发、0x18 SLA+W ACK）驱动：

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等待 bus idle (0xF8)
  → pca_start / pca_repeated_start
  → pca_address (写 DAT + 清 SI)
  → 写路径: pca_tx_byte 循环
  → 读路径: pca_rx_ack + pca_rx_byte
  → pca_stop

错误处理：0x20/0x30/0x38 NAK/仲裁丢失、0x70/0x90 SDA/SCL stuck 时 pca_reset()。

6.5 时钟配置

  • PCA9564：8 档固定频率（330kHz～36kHz），i2c_clock 可为 Hz 或档位索引；
  • PCA9665：按目标 Hz 计算 tlow/thi，支持 Standard / Fast / Fast+ / Turbo 模式。

6.6 能力

pca_func()：I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL（无 10bit、无 NOSTART 等 bit 算法的灵活标志）。

7. i2c-algo-pcf.c — PCF8584 算法

7.1 适用场景

Philips PCF8584 为较老的 I2C 总线控制器（并行接口），用于 ISA/定制总线扩展。现多见于 复古硬件（如 i2c-elektor.c、i2c-icy.c）。

7.2 底层回调（include/linux/i2c-algo-pcf.h）

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struct i2c_algo_pcf_data {
    void *data;
    void (*setpcf)(void *data, int ctl, int val);  /* ctl=0 数据, 1 控制 */
    int  (*getpcf)(void *data, int ctl);
    int  (*getown)(void *data);
    int  (*getclock)(void *data);
    void (*waitforpin)(void *data);
    void (*xfer_begin/end)(void *data);
    unsigned long lab_mdelay;   /* 多主仲裁丢失后延时 */
};

7.3 控制/状态位（i2c-algo-pcf.h）

宏 含义
I2C_PCF_STA / STO START / STOP
I2C_PCF_BB Bus Busy
I2C_PCF_LRB Last Received Bit (ACK)
I2C_PCF_LAB Lost Arbitration

7.4 传输流程 pcf_xfer()

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xfer_begin
  → wait_for_bb()           /* 等待总线空闲 */
  → 每条 msg:
       pcf_doAddress
       i2c_start (首条)
       wait_for_pin          /* 等待 PIN 中断 */
       写: pcf_sendbytes
       读: pcf_readbytes (含 dummy read)
  → xfer_end

多主： wait_for_pin 返回 -EINTR 表示仲裁丢失，handle_lab() 复位 PCF 并 lab_mdelay 退避。

7.5 初始化 pcf_init_8584()

检测 PCF8584 是否存在（写 OWNADR/CLKREG 等），配置时钟与 ESO。

7.6 能力

I2C_FUNC_I2C | I2C_FUNC_SMBUS_EMUL | I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING（无 atomic xfer）。

8. 三种算法对比总表

特性 bit-bang PCA9564/9665 PCF8584
硬件形态 GPIO/并口线 I2C-Parallel 桥 并行 I2C 控制器
时序实现 软件 bit 操作 芯片状态机+主机轮询/中断 芯片状态机+PIN
Clock stretch 支持（需 getscl） 硬件处理 硬件处理
10 位地址 支持 不支持 不支持
SMBus block 支持（RECV_LEN） 模拟 模拟
多主仲裁 未完整实现 有（0x38） LAB + mdelay
典型年代 一直使用 2000s 工业板 1990s
RK3588 相关性 可选（GPIO I2C） 低 极低

9. 与 i2c-core 的衔接细节

9.1 谁调用算法

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/* i2c-core-base.c */
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)
{
    ...
    ret = adap->algo->master_xfer(adap, msgs, num);
}

9.2 Quirks（bit 专用）

若 getscl == NULL，i2c_bit_add_bus() 设置：

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adap->quirks = &i2c_bit_quirk_no_clk_stretch;  /* I2C_AQ_NO_CLK_STRETCH */

告知上层该总线可能无法正确处理从设备拉长 SCL。

9.3 调试

  • CONFIG_I2C_DEBUG_ALGO → ccflags -DDEBUG（bit 中 bit_dbg）；
  • bit 模块参数：bit_test、i2c_debug；
  • pca/pcf 模块参数：i2c_debug。

10. RK3588 平台实践说明

10.1 默认路径

RK3588 使用 DesignWare 风格 Rockchip I2C IP（i2c-rk3x.c），在 adapter 内直接实现 i2c_algorithm，不经过 algos/。

10.2 何时需要 algos

需求 配置建议
额外 GPIO 模拟 I2C CONFIG_I2C_GPIO=y + CONFIG_I2C_ALGOBIT=y（通常由 HELPER_AUTO 选中）
外接 PCA9564 并口桥 CONFIG_I2C_ALGOPCA + i2c-pca-platform
复古/特殊 PCF8584 板 CONFIG_I2C_ALGOPCF + 对应 bus 驱动

在 arch/arm64/configs/*rk3588* 中一般看不到 I2C_ALGOBIT；部分 RK 衍生配置（如 rv1126b_robot.config）会显式 CONFIG_I2C_ALGOBIT=y。

10.3 与总线恢复的关系

i2c-core-base.c 中 i2c_generic_scl_recovery() 在 adapter 有 bus_recovery_info 时，也可用 GPIO bit-bang 恢复卡死的 SDA/SCL；这与 i2c-algo-bit 思想相同，但是 core 内独立路径，不要求加载 i2c-algo-bit 模块。

11. 数据流示意（以 GPIO I2C 为例）

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传感器驱动 / i2c_transfer()
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i2c-gpio adapter (i2c-10)
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i2c_bit_algo.master_xfer  ← i2c-algo-bit.c
        │
        ├── setsda(0/1)  ──► gpiod_set_value (SDA)
        ├── setscl(0/1)  ──► gpiod_set_value (SCL)
        └── getsda/getscl ──► gpiod_get_value
        │
        ▼
物理 SDA/SCL 引脚

12. 调试建议

问题 排查
GPIO I2C 无响应 检查 i2c-gpio,delay-us、上拉、开漏配置
Not I2C compliant: can't read SCL 未接 getscl，clock stretch 不可靠
test_bus 失败 SDA/SCL stuck，硬件短路或外设拉死
PCA 超时 0x?? wait_for_completion 中断未接；时钟配置错误
PCF Timeout waiting for BB 总线被占用或多主冲突 
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# 查看是否加载算法模块
lsmod | grep i2c_algo
# 查看 GPIO I2C adapter
ls /sys/bus/i2c/devices/ | grep mux
i2cdetect -y <bus>

13. 结论

drivers/i2c/algos 目录包含 3 个可加载的 I2C 算法模块，职责是：

  1. 实现统一的 i2c_algorithm.master_xfer；
  2. 将 I2C 协议时序（START/STOP/字节/ACK）从 bus 驱动中解耦；
  3. 通过 回调结构体 适配 GPIO、PCA 桥、PCF8584 等不同硬件形态。

对 RK3588 而言：

  • 主 I2C 走 i2c-rk3x，与 algos/ 无关；
  • 扩展/备用 总线可通过 i2c-gpio + i2c-algo-bit 实现；
  • i2c-algo-pca / i2c-algo-pcf 主要用于特定外设桥与 legacy 硬件，产品树中较少出现。

理解 algos/ 有助于区分「硬件控制器驱动」与「纯软件/GPIO/桥片算法」两条 I2C 主机实现路径。

14. 推荐阅读顺序

  1. include/linux/i2c-algo-bit.h — 回调接口
  2. algos/i2c-algo-bit.c — bit_xfer、i2c_bit_add_bus
  3. busses/i2c-gpio.c — RK 平台最可能用到的组合
  4. algos/i2c-algo-pca.c — 状态机桥接范例
  5. i2c-core-base.c — i2c_transfer 入口

15. 相关文档

文档版本：基于 rk3588/kernel-6.1 源码树 drivers/i2c/algos 分析。

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