Linux I2C 子系统深度复习与关键问题剖析-优快云博客

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在 Linux 内核中，I2C 子系统承担着处理与各类 I2C 外设交互的角色。它不仅是设备模型中的重要一环，也体现了总线驱动模型、设备树机制和字符设备接口的协同设计。本篇博文旨在全面系统地梳理 I2C 子系统的架构、注册流程、驱动模型、字符接口集成与调试方式，帮助你打通从设备树到驱动、从用户空间到内核空间的 I2C 工作机制理解闭环。

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一、I2C 子系统的架构概览

Linux 的 I2C 子系统由以下三部分组成：

角色	对应结构体	描述
I2C 主控	`struct i2c_adapter`	表示一个 I2C 控制器，通常由 SoC 提供并注册
I2C 从设备	`struct i2c_client`	表示挂载在 I2C 总线上的一个外设
I2C 驱动	`struct i2c_driver`	对某类外设进行管理的驱动，实现 probe/remove

核心流程图：

Device Tree (.dts)
    └──▶ of_i2c_register_devices()
           └──▶ i2c_new_device()
                  └──▶ 匹配 i2c_driver（.of_match_table）
                         └──▶ 调用 probe()

这些流程涉及了 Linux 内核的设备模型（device model）中的总线 - 设备 - 驱动三元组概念。其中 i2c_client 是设备（device），i2c_driver 是驱动（driver），i2c_adapter 是总线（bus），三者之间的关联由 i2c-core 统一管理。

二、设备注册过程详解（以 Device Tree 为例）

在现代设备树体系中，I2C 外设的注册通常由如下方式实现：

&i2c1 {
    status = "okay";
    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;
        pagesize = <16>;
    };
};

上面配置中的 eeprom@50 节点会在 I2C 控制器驱动中被解析，过程如下：

I2C 控制器驱动初始化时，调用 of_i2c_register_devices()
遍历子节点（如 eeprom@50），构建 i2c_client 实例
调用 i2c_new_device()，注册到 i2c-core
i2c-core 会对所有已注册的 i2c_driver 进行匹配
匹配成功后，调用 probe() 或 probe_new() 完成初始化

此流程关键在于设备树中 compatible 字段的匹配。

三、I2C 驱动模型特性

3.1 基本结构

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

驱动通过 i2c_add_driver() 注册，在模块加载时由 i2c-core 自动匹配并调用 probe。

3.2 probe_new vs probe

.probe() 是老接口，参数需手动转换为 struct i2c_client *
.probe_new() 是新接口，更类型安全，推荐使用

3.3 匹配方式

of_match_table：基于设备树的 compatible 字符串
id_table：适用于非 DT 场景，如平台代码中 i2c_register_board_info()

四、字符设备接口的集成

某些 I2C 设备，如 EEPROM，需要被用户空间直接访问，这时可以结合字符设备（cdev）提供接口。

static struct file_operations at24_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = at24_read,
    .write = at24_write,
    .llseek = default_llseek,
};

注册流程如下：

alloc_chrdev_region() 分配主设备号
cdev_init() + cdev_add() 注册设备
class_create() + device_create() 生成 /dev/at24char

结合 i2c_smbus_* 或 i2c_transfer 在 read/write 中读写 EEPROM 内容，实现完整的数据通路。

五、I2C 与字符设备的区别与协作

对比项	I2C 子系统	字符设备接口
本质	设备模型中的“设备”	用户接口模型中的“文件”
注册方式	i2c_client + i2c_driver	register_chrdev + cdev_add
面向对象	内核驱动（probe），与总线模型紧密集成	面向用户空间，提供 `read/write` API
用户使用	通过 sysfs/nvmem/自定义 ioctl 等接口	直接通过 `/dev/xxx` 文件操作
典型应用	温度传感器、电源芯片、EEPROM	SPI Flash、摄像头等字节访问型设备