从 Sysfs 到应用层：深入解析 I2C EEPROM 驱动底层实现

最新推荐文章于 2025-09-28 00:43:38 发布

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#嵌入式硬件 #物联网 #系统架构 #linux #开发语言

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在嵌入式开发中，EEPROM 作为一种重要的非易失性存储设备，广泛用于保存配置数据和校准参数。本文以 /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom 为例，从底层驱动的视角详细解析其实现原理及核心技术点，帮助开发者理解如何将硬件功能抽象为用户友好的文件接口。

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1. 什么是 Sysfs？

Sysfs 是 Linux 内核中的一个虚拟文件系统，位于 /sys 目录下，用于提供用户空间与内核对象之间的接口。它的设计目标是通过文件系统抽象硬件设备，使开发者能够以文件操作的形式与设备交互。

Sysfs 的特点：

直观性：硬件设备被映射为文件或目录，操作简单。
可编程性：支持用户态对设备的动态配置。
内核模块化：通过接口绑定，简化驱动开发。

对于 I2C EEPROM 设备，其内容被映射到 Sysfs 文件中，例如 /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom，用户可以直接读取或写入该文件来操作硬件。

2. EEPROM 驱动的整体框架

EEPROM 驱动的核心目标是将设备存储区暴露为文件接口，涉及的主要技术点包括：

I2C 驱动框架：基于 Linux 的 I2C 子系统，负责与 EEPROM 设备通信。
设备树支持：通过设备树描述硬件设备参数。
Sysfs 文件创建：将 EEPROM 数据区域映射为用户空间文件。
读写操作实现：处理用户态的读写请求并映射到 I2C 传输。

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2.1 驱动代码的基本结构

EEPROM 驱动 at24 是一个典型的 Linux 驱动，核心结构如下：

static struct i2c_driver at24_driver = {
    .driver = {
        .name = "at24",
    },
    .probe = at24_probe,
    .remove = at24_remove,
    .id_table = at24_ids,
};

主要函数：

at24_probe：初始化设备并注册相关资源。
at24_remove：设备移除时释放资源。
at24_ids：支持的设备列表。

3. 设备树的配置

在现代嵌入式系统中，设备树用于描述硬件设备。对于 EEPROM，通常需要在设备树中指定以下内容：

3.1 示例设备树配置

eeprom@50 {
    compatible = "atmel,24c02";
    reg = <0x50>;
    pagesize = <16>;
    size = <2048>;
};

字段解释：

compatible：匹配驱动，表明设备为 Atmel 的 24c02 EEPROM。
reg：I2C 地址（0x50）。
pagesize：EEPROM 的写入页大小。
size：EEPROM 的总容量。

3.2 驱动中的解析

驱动通过 of_device_id 匹配设备树节点，并在 at24_probe 函数中解析设备参数：

static const struct of_device_id at24_of_match[] = {
    { .compatible = "atmel,24c02", .data = (void *)AT24_DEVICE_TYPE_24C02 },
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, at24_of_match);

probe 函数中会读取 pagesize 和 size 等信息，并初始化设备结构体。

4. Sysfs 节点的创建

在 at24_probe 函数中，驱动通过以下代码将 EEPROM 数据映射到 Sysfs 文件：

sysfs_create_bin_file(&client->dev.kobj, &at24_bin_attr);

4.1 `bin_attribute` 结构

bin_attribute 是 Linux 中用于二进制文件接口的结构体：

static const struct bin_attribute at24_bin_attr = {
    .attr = {
        .name = "eeprom",
        .mode = 0644,
    },
    .size = EEPROM_SIZE,
    .read = at24_bin_read,
    .write = at24_bin_write,
};

name：Sysfs 文件名（eeprom）。
mode：文件权限。
read 和 write：指向具体的读写函数。
size：映射文件的大小，与 EEPROM 的容量一致。

5. 数据读写的实现

5.1 I2C 通信基础

I2C 是一种简单的串行总线协议，EEPROM 通常通过以下方式交互：

读操作：主设备发送地址后，EEPROM 返回对应数据。
写操作：主设备发送地址和数据，EEPROM 写入并返回 ACK。

5.2 驱动中的读写实现

读取操作

驱动中读取 EEPROM 数据的实现通常如下：

static ssize_t at24_bin_read(struct file *file, struct kobject *kobj,
                             struct bin_attribute *attr, char *buf,
                             loff_t pos, size_t count)
{
    struct i2c_client *client = to_i2c_client(kobj_to_dev(kobj));
    struct at24_data *at24 = i2c_get_clientdata(client);

    return i2c_smbus_read_i2c_block_data(client, pos, count, buf);
}

上述代码中：

pos：读取起始地址。
count：读取字节数。
i2c_smbus_read_i2c_block_data：通过 I2C 读取指定位置的数据。

写入操作

写入操作实现如下：

static ssize_t at24_bin_write(struct file *file, struct kobject *kobj,
                              struct bin_attribute *attr, char *buf,
                              loff_t pos, size_t count)
{
    struct i2c_client *client = to_i2c_client(kobj_to_dev(kobj));
    struct at24_data *at24 = i2c_get_clientdata(client);

    return i2c_smbus_write_i2c_block_data(client, pos, count, buf);
}

类似地，写入时会根据用户请求将数据通过 I2C 总线写入到指定地址。

6. 用户态操作示例

用户可以通过标准文件操作直接与 EEPROM 交互。

6.1 读取数据

使用 cat 或 hexdump 查看 EEPROM 内容：

cat /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom
hexdump -C /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom

6.2 写入数据

使用 echo 或 dd 写入数据：

echo "test_data" > /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom

7. 关键点总结与注意事项

7.1 驱动实现要点

设备树解析：确保设备参数正确。
Sysfs 文件接口：正确实现 bin_attribute。
I2C 通信：处理可能的超时和错误情况。

7.2 使用注意事项

容量限制：Sysfs 文件大小不能超过 EEPROM 容量。
写入延迟：EEPROM 写入较慢，应避免频繁操作。
掉电数据保护：写入后需确保数据已写入非易失存储。

8. 结语

通过本文的详细讲解，相信您对 /sys/bus/i2c/drivers/at24/eeprom 的底层驱动实现有了深入理解。这种将硬件抽象为文件的设计不仅提高了用户态操作的便利性，也展示了 Linux 驱动框架的强大能力。在实际开发中，您可以借鉴该框架实现其他类似设备的支持。