驱动开发硬核特训 · Day 32：深入理解 I2C 内核子系统-优快云博客

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一、引言

I2C 是嵌入式系统中最常用的总线之一，广泛应用于音频芯片、RTC、电源管理芯片、温湿度传感器等外围设备的通信。在 Linux 内核中，I2C 被封装成一个完整的子系统，提供了标准的驱动模型、设备注册机制、传输抽象层，使得设备驱动开发高度模块化。

本文将围绕 I2C 内核子系统的架构展开，从基础结构、通信机制、驱动模型、设备树匹配到实际代码分析，带你系统理解并掌握这一关键子系统。

二、I2C 子系统架构概览

1. 基本结构

在 Linux 内核中，I2C 子系统分为三大核心组成：

模块	说明
I2C Adapter	适配器，代表 I2C 控制器硬件资源
I2C Bus	逻辑总线，挂载多个设备节点
I2C Client	客户端，代表挂在 I2C 总线上的设备

内核通过抽象出 i2c_adapter 与 i2c_client 这两个核心结构体，构建起一个平台无关的通信机制。
在这里插入图片描述

2. 关键结构体

struct i2c_adapter {
    const struct i2c_algorithm *algo;
    struct device dev;
    int nr;
    ...
};

struct i2c_client {
    unsigned short addr;
    struct i2c_adapter *adapter;
    struct device dev;
    ...
};

三、驱动模型与注册流程

1. 驱动模型概述

I2C 驱动遵循内核标准的 总线-设备-驱动模型。驱动开发通常分为以下两类：

驱动类型	注册结构体	注册接口
控制器驱动（主机）	`i2c_adapter`	`i2c_add_adapter()`
设备驱动（从机）	`i2c_driver`	`i2c_register_driver()`

2. 典型注册流程图

[Device Tree 节点]
       ↓
of_i2c_register_devices()
       ↓
i2c_new_device() / i2c_new_probed_device()
       ↓
匹配 i2c_driver
       ↓
调用 probe() → 初始化设备

在这里插入图片描述

四、设备树中的配置方式

设备树中，I2C 控制器与从设备通过如下方式描述：

1. 控制器节点（示例：i.MX8MP）

i2c1: i2c@30a20000 {
    compatible = "fsl,imx8mp-i2c", "fsl,imx21-i2c";
    reg = <0x30a20000 0x10000>;
    clocks = <&clk IMX8MP_CLK_I2C1_ROOT>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    status = "okay";
};

2. 挂载设备节点（如 EEPROM）

at24@50 {
    compatible = "atmel,24c02";
    reg = <0x50>;
    pagesize = <16>;
};

✅ 注意事项：

#address-cells = <1> 和 reg = <0x50> 共同决定设备地址；
compatible 属性用于驱动匹配。

五、典型驱动分析：at24 EEPROM 驱动

1. 注册结构体

static struct i2c_driver at24_driver = {
    .driver = {
        .name = "at24",
        .of_match_table = at24_of_match,
    },
    .probe = at24_probe,
    .remove = at24_remove,
    .id_table = at24_ids,
};

2. 匹配表与设备树关联

static const struct of_device_id at24_of_match[] = {
    { .compatible = "atmel,24c02" },
    { /* sentinel */ }
};

3. 驱动注册入口

module_i2c_driver(at24_driver);

这是宏定义，会在模块加载时自动调用 i2c_register_driver()。

六、传输接口与调试方法

1. 传输 API

int i2c_master_send(struct i2c_client *client, const char *buf, int count);
int i2c_master_recv(struct i2c_client *client, char *buf, int count);
int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num);

2. 通信抓包调试

启用调试信息：

echo 1 > /sys/module/i2c_core/parameters/debug

使用 i2cdetect/i2cget/i2cset 工具验证通信：
```
i2cdetect -y 0
i2cget -y 0 0x50
```

七、从实战出发，理清驱动逻辑

从 platform 驱动角度理解：

控制器驱动往往挂在 platform_driver 下注册；
设备驱动使用 i2c_driver 注册，与设备树通过 compatible 匹配；
匹配后会调用 probe()，获取寄存器资源、注册字符设备等操作。

八、总结要点

关键点	说明
总线模型	与 platform 总线分离，I2C 是专用子系统
通信机制	统一使用 `i2c_transfer` 封装硬件实现
驱动结构	控制器使用 `i2c_adapter`，设备使用 `i2c_driver`
匹配机制	基于设备树的 `compatible` + `of_match_table`