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PCF8574AT 简介
PCF8574 是一个 8bit 的 GPIO 拓展芯片，提供了标准的 I2C 接口。PCF8574 具有 低电流消耗以及具有高电流驱动能力的锁存输出，可用于驱动 LED 等。PCF8574 还拥有一条中断线 (INT) 用于连接到主控的中断逻辑上。PCF8574AT 具有 8 个可 用的 GPIO，每当 GPIO 的状态改变时，PCF8574 的 INT 引脚将会产生一个中断 信号，从而知道 GPIO 的状态，而不必通过轮寻的方式检查 GPIO 的状态。主控 可以通过 I2C 总线向 8 个 GPIO 写值，也可以读取 8 个 GPIO 的值。PCF8574 一般用于 GPIO 紧缺的情况，可以在 I2C 总线上挂载多个 PCF8574 来增加 GPIO 的数量。
市面上也提供了很过针对 PCF8574AT 的模块设计，例如下图：
实践准备
BiscuitOS 已经支持 PCF8574AT 的硬件实践，但在实践前需要作相应的准备， 必须要的准备有：
硬件准备
在开发 PCF8574AT 驱动前，开发者应该准备下列硬件.
硬件平台
开发者需要准备一块 RaspberryPi 4B 开发板，并配有 SD 卡，SD 读卡器， TTL 转 USB 串口一个。
PCF8574AT
开发者可以从网上购买 PCF8574AT 模块。
逻辑分析仪
逻辑分析仪能够帮助开发者快速分析数据，测试 PCF8574AT 功能，稳定性， 大量数据采样等。逻辑分析仪不是必须的，这里推荐使用 DreamSourceLab 开发的 DSLogic:
DSLogic 逻辑分析仪数据工具：
示波器
示波器能够帮助开发者对 I2C 总线进行最透彻的分析，示波器测量 的数据具有可靠性高，精度高的特定，是分析 I2C 问题不可或缺的 工具。示波器建议准备，这里推荐使用 DreamSourceLab 开发的 DsCope:
DSCope 示波器采用样图:
硬件连接
在准备好所有的硬件之后，接下来将 PCF8574AT 与 RaspberryPi 4B 连接， 连接如下图:
红线为 VCC (3.3V) 接 PCF8574AT 的 VCC 引脚; 黑线为 GND 接 PCF8574AT 的 GND 引脚; 黄线为 SDA 接 PCF8574AT 的 SDA 引脚; 绿线为 SCL 接 PCF8574AT 的 SCL 引脚, 白线接到 PCF8574AT 的 INT 引脚上。 RaspberryPi 4B 的引脚定义如下图:
连接过程中要注意杜邦线虚连，连接完毕之后请使用万用表确保每条线 都已经连接上。
软件准备
在进行 PCF8574AT 软件开发前，开发这应该准备并部署所需的 软件工具及环境。如下表列出的内容:
RaspberryPi 4B 开发环境部署
在驱动开发前，开发者需要准备一个能在 RaspberryPi 4B 上运行的 BiscuitOS，具体制作方法可以参考下列文档:
内核启用 I2C 功能
为了在 RaspberryPi 上使用 PCF8574AT，开发者应该基于 BiscuitOS RaspberryPi 的开发环境对内核进行配置，开发者可以参考如下命令：
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/linux
make menuconfig ARCH=arm
选择并进入 “Device Driver”
选择并进入 “I2C support —>”
以模块的方式选择 “I2C device interface”
选择并进入 “I2C Hardware Bus support —>”
以模块的形式选择 “Broadcom BCM2835 I2C controller”, 最后保存并退出。 接着是编译内核和模块，并安装模块和内核到新的 SD 卡上，可以 参数如下文档：
准备好以上步骤之后，在系统启动之后，使用串口登录到 RaspberryPi， 使用如下命令安装 I2C 总线模块，如下：
cd /lib/modules/5.0.21/kernel/driver/i2c/bus
insmod busses/i2c-bcm2835.ko
insmod i2c-dev.koRaspberryPi 4B 启用 I2C 功能
制作完 BiscuitOS 镜像之后，将 BiscuitOS 镜像烧录到 SD 卡， 烧录完毕之后，重启插拔 SD 读卡器，此时可以获得 SD 卡出现 两个分区，其中一个为 BOOT 分区，如下图：
此时修改 BOOT 分区了的 “config.txt” 文件，RaspberryPi 默认是 关闭 I2C 功能的，此时将下面关于 I2C 的配置打开，如下：
# Uncomment some or all of these to enable the optional hardware interfaces
dtparam=i2c_arm=on
#dtparam=i2s=on
#dtparam=spi=on确保 “dtparam=i2c_arm=on” 没有被注释掉。修改完毕之后，保存退出，最后 移除 SD 卡，将其重新插入到 RaspberryPi 4B 的 SD 卡槽里。
开发相关文档
PCF8574AT 驱动
BiscuitOS 为 PCF8574AT 提供了完整的内核驱动支持，开发者可以参考本节 内容，对 PCF8574AT 进行实践部署。
PCF8574AT 驱动分析
BiscuitOS 已经支持最新的 PCF8574AT 芯片，开发者可以使用 BiscuitOS 提供 的驱动对 PCF8574AT 进行使用，驱动源码 GithuB 地址如下：
BiscuitOS 提供的完整驱动如下：
驱动分作三个部分，第一个部分是 PCF8574AT 设备注册到对应总线上；第二部分是 PCF8574AT 提供 I/O Expander 的读写接口；第三部分是驱动对 I/O Expander 的使用。 接下来的内容将详细分析每一部分代码的构成。
PCF8574AT 设备注册
新版本内核中，I2C 子系统提供了一套简单的接口就可以将一个 I2C 设备 注册到 I2C 子系统。本例程通过向 DTS 中添加 PCF8574AT，并将 PCF8574AT 注册到 I2C 子系统。首先如下图：
函数首先定义一个 struct i2c_driver 结构体，然后填充该结构体。结构体中提供了 driver 成员，在 PCF8574AT 中需要提供 name, owner, 以及 of_match_table 三个 成员，其中 of_match_table 是一个 struct of_device_id 结构，该结构用于与 DTS 中的节点 compatible 属性进行对比，如果相同，即从 DTS 中找到驱动对应的节点， 例如在本例程中，compatible 属性的属性值是 “BiscuitOS,pcf8574”; name 成员必须 与 struct i2c_device_id 结构的 name 成员相同，即总线上的驱动和设备通过名字进行 匹配，在上面的代码中即 pcf8574_id 结果的 name 设置的与 pcf8574_driver 结构的 driver 成员的 name 一致；至于 owner 成员，由于驱动以模块的形式添加到内核，那么 owner 设置为 THIS_MODULE 就行。最后提供 I2C 设备需要的 probe 和 remove 接口。
以上就是简单的驱动端程序设置，设置完毕之后调用 module_i2c_driver() 函数 将 pcf8574_driver 对应的驱动注册到 I2C 子系统上。提供驱动代码还不能让驱动 正常的工作，还需 DTS 中添加 pcf8574 对应的设备节点。开发者可以参考 BiscuitOS 提供的 RaspberryPi 4B 项目的方法进行添加。在 RaspberryPi 4B 中，DTS 位于 内核源码 arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dts, 添加如下：
在上面的 DTS 文件中，节点名字为 pcf8574，与驱动中的 struct i2c_device_id name 成员相同。特别值得注意的是节点 reg 属性值必须与节点名字 @ 符号后面的数字 相同，这符合 DTS 语法。reg 属性即 PCF8574AT I2C 的从设备地址。节点的 compatible 属性值必须与驱动的 struct of_device_id 一致。通过上面的代码，系统启动后可以 向系统注册一个简单的 PCF8574AT 模块。 DB-gpio 属性指向中断所在的 GPIO.
PCF8574AT I2C 接口
通过 PCF8574AT 的数据手册可以知道，PCF8574AT 提供只提供了一种方式的 读和一种方式的写操作，与大多数的 I2C 从设备不同，PCF8574 从设备不能通过 通用的 i2c 工具或函数进行读写，需要对 I2C 的读写过程进行封装。 接下里分别介绍每种操作如何编写代码。
PCF8574AT 读操作
上图定义了 PCF8574AT 的 I2C 总线读操作时序，从上图的定义可以看出， 在主控产生一个 START 信号之后，只需发送向 I2C 总线上发送 PCF8574AT 的从设备地址，并且 R/W bit 设置为 1 即可，此时如果 PCF8574AT 收到 主控发来的请求之后，会通过拉低 SDA 总线产生一个 ACK 应答信号，此时 主控收到应答信号之后，就等待 PCF8574AT 发送两个 Byte 的数据。PCF8574AT 产生第一个 ACK 应答之后，会向 SDA 总线上发送一个 BYTE 的数据，该数据 就是当前 8-bit I/O 的状态，接着采用同样的方式，拉低 ACK 再发送一次 8-bit I/O 的状态。发送完毕两 Byte 的数据之后，主控产生一个 STOP 信息 结束本次读操作。值得注意的是，PCF8574AT 在发送完第一个 BYTE 数据之后， 会在 INT 引脚上产生一个时长为 Tir 的中断。
上图即是根据信号协议编写的 Read 操作函数。在内核中，I2C 子系统定义了 struct i2c_msg 结构为一个 I2C 帧，其定义如下：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
/* I2C_M_RD is guaranteed to be 0x0001! */
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_DMA_SAFE 0x0200 /* the buffer of this message is DMA safe */
/* makes only sense in kernelspace */
/* userspace buffers are copied anyway */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_STOP 0x8000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};根据 PCF8574AT 读时序，主控只需发送一个 i2c_msg 即可，因此定义了 一个 i2c_msg 结构，由于读时序的时候，R/W bit 置位，因此给 i2c_msg 结构的 flags 添加 I2C_M_RD 标志，以此表示该 i2c_msg 用于读操作。 接着根据主控发送 i2c_msg 之后，PCF8574AT 会返回两个 byte 的字节， 因此将 i2c_msg 的 len 设置为 2， 并且 buf 只想一个可以存储 2 个字节 的内存地址。
以上准备好 i2c_msg 之后，继续调用 i2c_transfer() 函数，将 i2c_msg 传递给 I2C 核心层，最终到达 I2C 控制器的收发器上发送。接下来使用 示波器和逻辑分析仪实际的抓起波形分析，具体如下：
从上图的波形图可以看出，抓取的波形符合 “PCF8574AT Read” 的规范 要求。
借助 DSlogic 分析仪，可以快速获得数字波形以及协议解析信息， 上图的波形符合 “PCF8574AT Read” 的要求。
PCF8574AT 写操作
上图为 PCF8574AT 的写操作时序，其时序比较简单，主控首先产生一个 START 信号，然后发送从设备地址到 I2C 总线上，并且 R/W bit 设置为 0. 发送 完毕上面数据后，主控等待从设备的应答，如果从设备将 SDA 拉低，那么表示 从设备应答，那么主控继续将第一个 byte 写到 I2C 总线上，该 byte 用于 设置 PCF8574AT 8-bit 的状态，写完第一个 byte 之后，主控等待 PCF8574AT 应答，如果从设备应答，那么接着发送第二部 byte。发送完毕之后，主控不应答 并产生一个 STOP 信号。
上图即是根据信号协议编写的 PCF8574AT Write。在内核中，I2C 子系统定义了 struct i2c_msg 结构为一个 I2C 帧，其定义如下：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
/* I2C_M_RD is guaranteed to be 0x0001! */
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_DMA_SAFE 0x0200 /* the buffer of this message is DMA safe */
/* makes only sense in kernelspace */
/* userspace buffers are copied anyway */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_STOP 0x8000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};在上面的函数中，由于 PCF8574AT 只包含了一次写操作，因此只需要一个 i2c_msg 就可以完成任务，因此定义一个 i2c_msg 结构，由于写操作的 时候，R/W bit 为 0，因此给 i2c_msg 结构的 flags 添加 I2C_M_WR 标志， 由于需要写两个 byte 的数据，因此 len 设置为 2，并且 buf 只想存储 两个字节的地址.
以上准备好 i2c_msg 之后，继续调用 i2c_transfer() 函数，将 i2c_msg 传递给 I2C 核心层，最终到达 I2C 控制器的收发器上发送。接下来使用 示波器和逻辑分析仪实际的抓起波形分析，具体如下：
上图为按字节写的波形，波形符合 PCF8574AT 协议规范。
上图可以看出逻辑分析仪对按字节写的波形的解读，符合规范要求。
PCF8574AT 使用
开发者可以参考上面代码在内核驱动中使用 PCF8574AT, 例如在上面的代码中， 通过设置 GPIO 的状态和读取 GPIO 状态。
PCF8574AT BiscuitOS-RaspberryPi 实践部署
BiscuitOS 以及完整支持 PCF8574AT，并基于 Kbuild 编译系统，制作了一套 便捷的 PCF8574AT 开发环境，开发者可以参考如下步骤进行快速开发。
PCF8574AT 源码获取
首先开发者应该准备基于 RaspberryPi 4B BiscuitOS 开发环境，并 准备好一个在 RaspberryPi 上运行的 BiscuitOS，然后使用如下命令 获得 PCF8574AT 所需的开发环境：
cd BiscuitOS
make RaspberryPi_4B_defconfig
make menuconfig
选择 “Package —>” 并进入下一级菜单
选择 “I2C: Inter-Integrated Circuit —>” 并进入下一级菜单
设置 “PCF8574 IO Expander Device Driver —>” 为 “Y”。设置完毕之后， 保存并退出，
PCF8574AT 源码编译
PCF8574AT 的编译很简单，只需执行如下命令就可以快速编译：
make
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/package/pcf8574_module-0.0.1/
make prepare
make download
make
make install
make pack
PCF8574AT 模块安装
接下来是将模块更新到 RaspberryPi 4B 上，更新的方式多种方式，可以参考下面 方式：
PCF8574AT DTB 安装
由于 PCF8574AT 驱动的加载需要使用 DTB，因此在编写完驱动之后，应该 修改 DTS 并生成 DTB 更新到 RaspberryPi 4B 上。如果 DTB 已经更新， 不必重复更新 DTB。DTS 的修改可以参考 “pcf8574_module-0.0.1” 目录下的 default.dts 文件，使用命令 如下:
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/linux/arch/arm/boot/dts
vi bcm2711-rpi-4-b.dts将 PCF8574AT DTS 节点信息加入到 i2c1 节点下，如下:
&i2c1 {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&i2c1_pins>;
clock-frequency = <100000>;
pcf8574@38 {
compatible = "BiscuitOS,pcf8574";
reg = <0x38>;
BD-gpio = <&gpio 25 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};
};修改完 DTS 之后，开发者使用如下命令编译 DTS:
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/linux/
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/arm-linux-gnueabi/arm-linux-gnueabi/bin/arm-linux-gnueabi- dtbs -j4最后就是将生成的 DTB 更新到 RaspberryPi 4B 上，更新的方式 如下:
如果采用 NFS 方式更新，在 RaspberryPi 4B 上使用如下命令:
mkdir -p /nfs
mount -t nfs 192.168.x.x:BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/ /nfs -o nolock
cp /nfs/linux/RPI_linux_github/arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dtb /boot
sync
reboot在上面的命令中，192.168.x.x 为主机的 IP 地址。如果采用 SD 拷贝方式， 主机端请参考如下命令:
cp BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/RPI_linux_github/arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dtb /media/XXXX/BOOT/
sync在上面的命令中，XXXX 表示主机的用户名。至此 DTB 更新成功.
PCF8574AT 模块使用
最后就是在 BiscuitOS RaspberryPi 4B 平台上加载模块，可以参考如下命令：
cd /lib/modules/5.0.21-v7l\+/extra
ls
insmod i2c-bcm2835.ko
insmod pcf8574.ko
PCF8574AT 工程实践部署
开发者也可以在自己的工程中部署 PCF8574AT 驱动程序，可以参考如下步骤：
PCF8574AT 源码获取
首先获得 PCF8574AT 驱动源码，使用如下命令：
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/kernel/Kconfig
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/kernel/Makefile
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/kernel/default.dts
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/kernel/pcf8574.cPCF8574AT 源码编译
获得上面的源码之后，可以采用外部模块独立编译，或者加入内核源码树进行编译， 开发者可以参考如下步骤进行编译。
外部模块独立编译
此时对 Makefile 文件进行修改，其中 KERNELDIR 修改为开发者项目 Linux 源码树所在的目录。CROSS_COMPILE 变量指向交叉编译工具链所在的位置。
设置完毕之后，使用如下命令：
make
make install内核源码树编译
开发者也可以将驱动源码直接加入内核源码树，当加入到指定目录后，请参考 Kconfig 文件的内容，将 PCF8574AT 加入到指定目录，修改该目录下的 Kconfig 和 Makefile， 然后配置内核将 PCF8574AT 启动加入编译，使用如下命令：
make menuconfig ARCH=arm
make modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/arm-linux-gnueabi/arm-linux-gnueabi/bin/arm-linux-gnueabi-
make modules_install INSTALL_MOD_PATH=BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/rootfs/rootfsPCF8574AT 模块安装
接下来是将模块更新到项目平台上，更新的方式多种方式，可以参考下面 方式:
PCF8574AT DTB 安装
由于 PCF8574AT 驱动的加载需要使用 DTB，因此在编写完驱动之后，应该 修改 DTS 并生成 DTB 更新到 RaspberryPi 4B 上。如果 DTB 已经更新， 不必重复更新 DTB。DTS 的修改可以参考 “pcf8574_module-0.0.1” 目录下的 default.dts 文件，使用命令 如下:
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/linux/arch/arm/boot/dts
vi bcm2711-rpi-4-b.dts将 PCF8574AT DTS 节点信息加入到 i2c1 节点下，如下:
&i2c1 {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&i2c1_pins>;
clock-frequency = <100000>;
pcf8574@38 {
compatible = "BiscuitOS,pcf8574";
reg = <0x38>;
BD-gpio = <&gpio 25 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};
};修改完 DTS 之后，开发者使用如下命令编译 DTS:
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/linux/
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/arm-linux-gnueabi/arm-linux-gnueabi/bin/arm-linux-gnueabi- dtbs -j4最后就是将生成的 DTB 更新到 RaspberryPi 4B 上，更新的方式 如下:
如果采用 NFS 方式更新，在 RaspberryPi 4B 上使用如下命令:
mkdir -p /nfs
mount -t nfs 192.168.x.x:BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/ /nfs -o nolock
cp /nfs/linux/RPI_linux_github/arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dtb /boot
sync
reboot在上面的命令中，192.168.x.x 为主机的 IP 地址。如果采用 SD 拷贝方式， 主机端请参考如下命令:
cp BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/linux/RPI_linux_github/arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dtb /media/XXXX/BOOT/
sync在上面的命令中，XXXX 表示主机的用户名。至此 DTB 更新成功.
PCF8574AT 模块使用
最后就是在开发平台上加载模块，可以参考如下命令：
cd /lib/modules/5.0.21-v7l\+/extra
ls
insmod i2c-bcm2835.ko
insmod pcf8574.ko
i2cdetect
i2cdetect 工具用于探测指定 I2C 总线上所有 I2C 从设备，如果 指定 I2C 地址存在 I2C 设备，那么会将 I2C 从设备地址标记在结果 里。i2cdetect 使用如下图:
如上图，i2cdetect 找到了 PCF8574AT 的多个从设备地址。i2cdetect 工具的 参数中，”-y” 用于指定 I2C 总线的编号.
i2cdump
i2cdump 工具用于打印指定 I2C 总线上指定从设备上的所有数据，该 工具用于 I/O Expander 的数据查看，i2cdump 使用如下图:
如上图，使用 i2cdump 工具查看 PCF8574AT 上的所有数据. 该工具对快速读取 I2C 设备上数据有帮助。
i2cget
i2cget 工具用于从指定 I2C 总线的从设备上读取指定位置的值， 在开发过程中，需要对从设备的某个寄存器进行读取操作，这个 工具再适合过不，其使用如下图:
在使用 i2cget 工具的时候，”-y” 参数后面匹配 I2C 总线编号，如上图 中查找的是 I2C1 总线; 接下来的参数是 I2C 从设备地址和内部偏移地址。
i2cset
与 i2cget 工具相对应的工具就是 i2cset, 该工具用于在指定 I2C 总线 上，给特定的 I2C 从设备的内部地址进行写操作, 其使用如下图:
在使用 i2cset 工具的时候，”-y” 参数后面匹配 I2C 总线编号，如上图 查找的是 I2C1 总线；接下来的参数是 I2C 从设备地址，以及内部要写 的地址，最后是要写的内容。
PCF8574AT 应用程序
BiscuitOS 为 PCF8574AT 提供了完整的应用程序支持，开发者可以参考本节 内容，对 PCF8574AT 应用程序进行实践部署。
PCF8574AT 应用程序分析
BiscuitOS 已经支持最新的 PCF8574AT 芯片，开发者可以使用 BiscuitOS 提供 的应用程序 PCF8574AT 进行使用，驱动源码 GithuB 地址如下：
BiscuitOS 提供的完整应用程序如下：
应用程序分作两个部分，第一部分是 PCF8574AT 提供 I/O Expander 的读写接口; 第二部分是驱动对 I/O Expander 的使用。接下来的内容将详细分析每一部分代码的构成。
PCF8574AT I2C 接口
通过 PCF8574AT 的数据手册可以知道，PCF8574AT 提供了一种方式的读，也 只提供了一种方式的写。接下里分别介绍每种操作如何编写代码。
PCF8574AT 随机地址读操作
上图定义了 PCF8574AT 的 I2C 总线读操作时序，从上图的定义可以看出， 在主控产生一个 START 信号之后，只需发送向 I2C 总线上发送 PCF8574AT 的从设备地址，并且 R/W bit 设置为 1 即可，此时如果 PCF8574AT 收到 主控发来的请求之后，会通过拉低 SDA 总线产生一个 ACK 应答信号，此时 主控收到应答信号之后，就等待 PCF8574AT 发送两个 Byte 的数据。PCF8574AT 产生第一个 ACK 应答之后，会向 SDA 总线上发送一个 BYTE 的数据，该数据 就是当前 8-bit I/O 的状态，接着采用同样的方式，拉低 ACK 再发送一次 8-bit I/O 的状态。发送完毕两 Byte 的数据之后，主控产生一个 STOP 信息 结束本次读操作。值得注意的是，PCF8574AT 在发送完第一个 BYTE 数据之后， 会在 INT 引脚上产生一个时长为 Tir 的中断。
上图即是根据信号协议编写的 Read 操作函数。在内核中，I2C 子系统定义了 struct i2c_msg 结构为一个 I2C 帧，其定义如下：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
/* I2C_M_RD is guaranteed to be 0x0001! */
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_DMA_SAFE 0x0200 /* the buffer of this message is DMA safe */
/* makes only sense in kernelspace */
/* userspace buffers are copied anyway */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_STOP 0x8000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};根据 PCF8574AT 读时序，主控只需发送一个 i2c_msg 即可，因此定义了 一个 i2c_msg 结构，由于读时序的时候，R/W bit 置位，因此给 i2c_msg 结构的 flags 添加 I2C_M_RD 标志，以此表示该 i2c_msg 用于读操作。 接着根据主控发送 i2c_msg 之后，PCF8574AT 会返回两个 byte 的字节， 因此将 i2c_msg 的 len 设置为 2， 并且 buf 只想一个可以存储 2 个字节 的内存地址。
以上准备好 i2c_msg 之后，继续调用 ioctl() 函数，将 i2c_msg 传递给 I2C 核心层，最终到达 I2C 控制器的收发器上发送。接下来使用 示波器和逻辑分析仪实际的抓起波形分析，具体如下
从上图的波形图可以看出，抓取的波形符合 “PCF8574AT Read” 的规范 要求。
借助 DSlogic 分析仪，可以快速获得数字波形以及协议解析信息， 上图的波形符合 “PCF8574AT Read” 的要求。
PCF8574AT 写操作
上图为 PCF8574AT 的写操作时序，其时序比较简单，主控首先产生一个 START 信号，然后发送从设备地址到 I2C 总线上，并且 R/W bit 设置为 0. 发送 完毕上面数据后，主控等待从设备的应答，如果从设备将 SDA 拉低，那么表示 从设备应答，那么主控继续将第一个 byte 写到 I2C 总线上，该 byte 用于 设置 PCF8574AT 8-bit 的状态，写完第一个 byte 之后，主控等待 PCF8574AT 应答，如果从设备应答，那么接着发送第二部 byte。发送完毕之后，主控不应答 并产生一个 STOP 信号。
上图即是根据信号协议编写的 PCF8574AT Write。在内核中，I2C 子系统定义了 struct i2c_msg 结构为一个 I2C 帧，其定义如下：
struct i2c_msg {
__u16 addr; /* slave address */
__u16 flags;
#define I2C_M_RD 0x0001 /* read data, from slave to master */
/* I2C_M_RD is guaranteed to be 0x0001! */
#define I2C_M_TEN 0x0010 /* this is a ten bit chip address */
#define I2C_M_DMA_SAFE 0x0200 /* the buffer of this message is DMA safe */
/* makes only sense in kernelspace */
/* userspace buffers are copied anyway */
#define I2C_M_RECV_LEN 0x0400 /* length will be first received byte */
#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
#define I2C_M_NOSTART 0x4000 /* if I2C_FUNC_NOSTART */
#define I2C_M_STOP 0x8000 /* if I2C_FUNC_PROTOCOL_MANGLING */
__u16 len; /* msg length */
__u8 *buf; /* pointer to msg data */
};在上面的函数中，由于 PCF8574AT 只包含了一次写操作，因此只需要一个 i2c_msg 就可以完成任务，因此定义一个 i2c_msg 结构，由于写操作的 时候，R/W bit 为 0，因此给 i2c_msg 结构的 flags 添加 I2C_M_WR 标志， 由于需要写两个 byte 的数据，因此 len 设置为 2，并且 buf 只想存储 两个字节的地址.
以上准备好 i2c_msg 之后，继续调用 ioctl() 函数，将 i2c_msg 传递给 I2C 核心层，最终到达 I2C 控制器的收发器上发送。接下来使用 示波器和逻辑分析仪实际的抓起波形分析，具体如下：
上图为按字节写的波形，波形符合 PCF8574AT 协议规范。
上图可以看出逻辑分析仪对按字节写的波形的解读，符合规范要求。
PCF8574AT 使用
有了上面的接口之后，开发者可以在用户空间参考下面代码对 PCF8574AT 使用:
在上面的代码中，可以在 PCF8574AT 的 GPIO1 上接一个 LED 灯， 以此直观的感受 GPIO 的状态变化，如下图:
PCF8574AT BiscuitOS-RaspberryPi 中使用
BiscuitOS 以及完整支持 PCF8574AT，并基于 Kbuild 编译系统，制作了一套 便捷的 PCF8574AT 开发环境，开发者可以参考如下步骤进行快速开发。
PCF8574AT 源码获取
首先开发者应该准备基于 RaspberryPi 4B BiscuitOS 开发环境，并 准备好一个在 RaspberryPi 上运行的 BiscuitOS，然后使用如下命令 获得 PCF8574AT 所需的开发环境：
cd BiscuitOS
make RaspberryPi_4B_defconfig
make menuconfig
选择 “Package —>” 并进入下一级菜单
选择 “I2C: Inter-Integrated Circuit —>” 并进入下一级菜单
设置 “PCF8574 IO Expander Application —>” 为 “Y”。设置完毕之后， 保存并退出，
PCF8574AT 源码编译
PCF8574AT 的编译很简单，只需执行如下命令就可以快速编译：
make
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/package/pcf8574_app-0.0.1/
make prepare
make download
make
make install
make pack
PCF8574AT 模块安装
接下来是将模块更新到 RaspberryPi 4B 上，更新的方式多种方式，可以参考下面 方式：
PCF8574AT 应用程序的使用
最后就是在 BiscuitOS RaspberryPi 4B 平台上加载模块，可以参考如下命令：
cd /lib/modules/5.0.21-v7l\+/extra
insmod i2c-bcm2835.ko
insmod i2c-dev.ko
pcf8574_app-0.0.1
PCF8574AT 工程实践部署
开发者也可以在自己的工程中部署 PCF8574AT 应用程序，可以参考如下步骤：
PCF8574AT 源码获取
首先获得 PCF8574AT 应用源码，使用如下命令：
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/userland/pcf8574.sh
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/userland/pcf8574.c
wget https://gitee.com/BiscuitOS_team/HardStack/raw/Gitee/Device-Driver/i2c/Device/PCF8574/Base/userland/MakefilePCF8574AT 源码编译
获得上面的源码之后，开发者只需提供编译工具，就可以直接编译源码， 此时对 Makefile 文件进行修改，其中 CROSS_COMPILE 变量指向交叉编 译工具链所在的位置。
设置完毕之后，使用如下命令：
make
make installPCF8574AT 应用安装
接下来是将应用更新到项目平台上，更新的方式多种方式，可以参考下面 方式:
PCF8574AT 应用使用
最后就是在开发平台上加载模块，可以参考如下命令：
cd /lib/modules/5.0.21-v7l\+/extra
ls
insmod i2c-bcm2835.ko
insmod i2c-dev.ko
pcf8574_app-0.0.1
PCF8574AT 问题合集
PCF8574AT 中断处理函数读操作引起的 Panic
在使用 PCF8574 的中断实践中，编写中断处理函数，在中断处理中添加了 对 PCF8574 的 8-bit GPIO 读操作。其实践代码以及实践过程参考下面内容:
基于上面的文档，使用一个 Button 连接中断，具体连接如下图:
BiscuitOS 已经集成了问题源码，开发者可以参考下列内容进行获得:
中断处理函数源码如下图:
从上面的中断处理函数可以得知，在处理的中断的时候，运行了低速的 外部 I/O 访问。基于上面的代码，在树莓派上运行上面的代码，当产生 一个中断的时候，系统打印的信息如下:
完整错误 log 如下:
问题分析
上面的程序存在一个致命的错误，中断处理函数中访问了低速的外围设备， 这在程序设计中是不应该的，中断处理函数秉持能多块返回就多块返回的 原则，而此处中断处理函数在规定时间内没有返回，那么系统直接报错。 为了解决刚刚上面发生的问题，可以考虑将耗时的处理放到中断下半部进行 处理，而中断上半部则为了更快速的返回。内核提供了几种机制满足 目前问题的需求，这里采用 workqueue 机制，其逻辑就是在中断发生 之后，中断只处理快速的操作，耗时的操作都放到 workqueue 里处理， 代码修改如下:
再次再树莓派上运行驱动，这次驱动正常的处理中断，读取了 GPIO 的值。
问题总结
外围设备经常包含中断机制，但在编写中断处理函数的时候，一定不要 将低速的操作放在中断处理函数中。
PCF8574AT 进阶研究
PCF8574AT 中断使用问题
课题简介
在 PCF8574AT 8-bit I/O 状态改变的情况下，会触发一个中断，因此在 有需要使用 GPIO 中断的应用中，可以参照本节内容。为了更好的演示中 断的使用，这里使用一个按钮，并将其接到 PCF8574AT 任意一个 GPIO 上， 如下图:
按钮不按下的时候输出高电平，按下的时候输出低电平，输出低电平。
课题分析
为了能介绍 PCF8574AT 8-bit IO Expander 中断的使用方法，这里 使用一个完整的驱动进行讲解，其原理就是讲 Button 连接到 PCF8574 任意一个 GPIO 上，然后讲 PCF8574AT 的 INT 引脚连接 到树莓派的 GPIO25 上，并设置了上升沿触发中断。每当中断产生， 驱动就会读取 PCF8574AT 8-bit GPIO 状态。
课题实践
本例中使用一个完整的驱动介绍中断的使用，如下:
驱动的基础流程是注册了为一个 platform 驱动，并从 DTS 获得中断所连接 GPIO 对应的中断，然后讲这个中断注册到内核中。在中断处理函数中，由于 通过 I2C 读取 PCF8574 的速度特别慢，因此如果该操作放到中断中处理会引起 错误，因此这里使用一个 WorkQueue，讲 PCF8574 读操作放到 WorkQueue 的处理 函数中，即中断处理下半部处理 PCF8574 读操作。具体处理如下图:
在 PCF8574AT 的中断处理函数中，只是简单的调用 schedule_work() 函数， 接着就中断返回，然后把慢速的 PCF8574 读操作放到了 wq_isr() 处理函数 里面了。
该驱动同样也集成到 BiscuitOS 里，开发者可以参考下面章节进行驱动 的使用:
基于上面的章节，驱动程序的选择如下图:
将上面的驱动编译并安装到树莓派之后，每当按下按钮之后， 串口打印的数据如下:
PCF8574AT 工程应用
工程实践中经常使用 PCF8574AT 用于特定的任务，本节用于介绍 PCF8574AT I/O Expander的工程应用:
交通灯
开发者经常在马路上看到交通灯，交通灯按交通规则点亮制定的灯。本节用于 介绍使用 PCF8574AT 模块制作一个简易的交通灯。
实现原理
交通灯由三个灯组成，分别为红、绿、黄组成，每个灯根据交通规则 亮不同的时长。其工作原理所有灯由二极管组成，所有二极管的 GND 引脚都接到一起共地，然后正极分别接到控制引脚上，如果需要点亮， 只需讲该灯的控制引脚输出高电平即可，如果想让灯更亮，那么需要 给灯的正极接上拉。本节将三个颜色的灯接到 PCF8574AT 的三个 GPIO 上，并按照一个规则给不同的颜色灯上点并点亮。
实践部署
BiscuitOS 支持一键部署 “交通灯”, 开发者请参考如下命令:
cd BiscuitOS
make RaspberryPi_4B_defconfig
make menuconfig
选择并进入 “Package —>”
选择 “I2C: Inter-Integrated Circuit —>” 并进入下一级菜单
选择并进入 “PCF8574 Traffic Light Application —>” 最后保存并退出，执行下列命令:
cd BiscuitOS
make
cd BiscuitOS/output/RaspberryPi_4B/package/pcf8574_traffic-0.0.1/
make prepare
make download
make
make install
make pack至此，项目编译已经完成，接下来的将 “交通灯” 安装到指定硬件平台， 本文例子运行在 RaspberryPi 4B 上，具体应用程序安装请参考如下内容:
使用说明
将应用程序安装到硬件平台后，使用如下命令进行使用:
pcf8574_traffic-0.0.1
附录
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