Linux I2C 子系统

原创于 2025-04-09 10:57:24 发布 · 1k 阅读

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Linux 内核中的 I2C 子系统 提供了对 I2C（Inter-Integrated Circuit）总线的完整支持，包括 I2C 控制器驱动（Adapter）、设备驱动（Client Driver） 和 用户空间访问接口。

1. I2C 子系统架构

Linux I2C 子系统采用分层设计，主要分为以下部分：

层级	功能
I2C Core	核心层，提供注册/注销 Adapter 和 Client 的 API
I2C Bus	管理 I2C 设备与驱动的匹配（基于 `i2c_device_id` 或 `of_device_id`）
I2C Adapter	I2C 控制器驱动（如 `i2c-imx`、`i2c-s3c2410`）
I2C Client	I2C 设备驱动（如 `lm75` 温度传感器驱动）
用户空间接口	通过 `/dev/i2c-*` 或 `sysfs` 访问 I2C 设备

2. I2C 核心数据结构

(1) `struct i2c_adapter`

代表一个 I2C 控制器（如 SoC 的 I2C 接口），关键字段：

struct i2c_adapter {
    struct device dev;          // 关联的设备
    const struct i2c_algorithm *algo; // 通信方法（如 master_xfer）
    int nr;                    // 适配器编号（如 i2c-0）
    char name[48];             // 适配器名称（如 "i2c-imx"）
    struct i2c_bus_recovery_info *bus_recovery_info; // 总线恢复
};

(2) `struct i2c_client`

代表一个 I2C 设备，关键字段：

struct i2c_client {
    unsigned short addr;        // 7-bit 设备地址（如 0x48）
    char name[I2C_NAME_SIZE];  // 设备名称（如 "lm75"）
    struct i2c_adapter *adapter; // 所属的 I2C 控制器
    struct device dev;         // 设备模型
};

(3) `struct i2c_driver`

I2C 设备驱动，关键方法：

struct i2c_driver {
    int (*probe)(struct i2c_client *);    // 设备探测
    int (*remove)(struct i2c_client *);   // 设备移除
    const struct of_device_id *of_match_table; // 设备树匹配表
    const struct i2c_device_id *id_table; // 设备 ID 表
};

3. I2C 设备驱动开发

(1) 设备树（Device Tree）描述

&i2c1 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <100000>; // 100kHz

    lm75: temperature-sensor@48 {
        compatible = "national,lm75";
        reg = <0x48>;           // I2C 地址
    };
};

(2) 驱动代码示例

#include <linux/i2c.h>
#include <linux/module.h>

static int lm75_probe(struct i2c_client *client)
{
    u8 reg_val[2];
    int temp;

    // 读取温度（LM75 的温度寄存器是 0x00）
    i2c_smbus_read_i2c_block_data(client, 0x00, 2, reg_val);
    temp = (reg_val[0] << 8) | reg_val[1];
    temp >>= 7; // LM75 温度数据格式

    printk("Temperature: %d°C\n", temp);
    return 0;
}

static const struct of_device_id lm75_of_match[] = {
    { .compatible = "national,lm75" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, lm75_of_match);

static struct i2c_driver lm75_driver = {
    .driver = {
        .name = "lm75",
        .of_match_table = lm75_of_match,
    },
    .probe = lm75_probe,
};
module_i2c_driver(lm75_driver);

4. 用户空间访问 I2C

(1) 通过 `sysfs` 访问

# 查看所有 I2C 适配器
ls /sys/bus/i2c/devices/

# 扫描 I2C-1 总线上的设备
i2cdetect -y 1

# 读取 I2C-1 上地址 0x48 的寄存器 0x00
i2cget -y 1 0x48 0x00

**(2) 通过 `/dev/i2c-*` 使用 `ioctl`**

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

int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48); // 设置从机地址

uint8_t reg = 0x00;
uint8_t buf[2];
write(fd, &reg, 1);        // 发送要读取的寄存器
read(fd, buf, 2);          // 读取 2 字节数据
close(fd);

5. I2C 子系统调试

(1) 内核配置

确保启用：

CONFIG_I2C=y
CONFIG_I2C_CHARDEV=y    # 提供 /dev/i2c-* 接口
CONFIG_I2C_DEBUG_CORE=y # 调试支持

(2) 动态调试

# 启用 I2C 核心调试信息
echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
dmesg | grep i2c

(3) 逻辑分析仪

使用 Saleae Logic 或 PulseView 抓取 I2C 波形，检查 SCL/SDA 信号。

6. 常见问题

(1) 设备未被检测到

检查 i2cdetect 是否能发现设备。
确认设备树（compatible 和 reg）是否正确。

(2) 通信失败

检查 clock-frequency 是否匹配设备要求。
测量 SCL/SDA 电压（标准 I2C 是 3.3V/5V）。

(3) 驱动加载但未绑定设备

检查 of_match_table 或 id_table 是否匹配。

7. 典型应用场景

场景	示例驱动
温度传感器	`lm75`、`tmp102`
RTC 时钟	`ds1307`、`pcf8563`
EEPROM	`at24`
触摸屏	`ft5x06`
PMIC 电源管理	`max77650`

总结

I2C Core 提供核心 API（注册 Adapter/Client）。
I2C Adapter 对应 SoC 的 I2C 控制器。
I2C Client 代表具体的 I2C 设备。
可通过 设备树 或 静态声明 注册设备。
用户空间可通过 i2c-tools 或 /dev/i2c-* 访问设备。