Linux I²C 总线驱动开发：从架构到实战的完整指南

Linux I²C 总线驱动开发：从架构到实战的完整指南

在嵌入式 Linux 开发中，I²C（Inter-Integrated Circuit）总线因简洁的硬件设计和可靠的通信性能，被广泛应用于连接温度传感器、EEPROM、触摸屏等外设。掌握 I²C 驱动开发，是嵌入式工程师必备的核心技能之一。本文将基于 Linux 内核的分层设计思想，系统讲解 I²C 驱动的架构原理、开发流程（含应用层验证、驱动编写、调试技巧），帮助开发者快速上手。

一、I²C 驱动体系架构：分层分离的设计智慧

Linux I²C 子系统采用 "分层 + 分离 " 的设计理念，将复杂的驱动逻辑拆解为不同层级，既降低了开发难度，又提升了代码的复用性。结合下方的五层架构图，可直观理解各层的协作关系：

（注：图中清晰标注了应用层、IIC 设备驱动层、IIC 核心层、IIC 总线驱动层、IIC 硬件层，以及 LM75、AT24C08 等设备在各层的组件映射）

1. 应用层

直接面向用户，可直接调用 I²C 接口，操作 I²C 总线，或通过驱动创建的设备节点 （如/dev/lm75、/dev/at24c08）与硬件交互，无需关注底层通信细节。

例如，lm75_app通过打开/dev/lm75设备节点，调用read函数即可获取温度传感器的原始数据，再由应用层完成数据解析与展示。

2. IIC 设备驱动层（Client Driver）

针对具体 I²C 外设（如 LM75 温度传感器、AT24C08 EEPROM）实现功能逻辑，是开发者的核心开发对象。该层通过调用底层总线能力完成数据收发，不直接操作硬件。

每个设备驱动细分为 **"驱动（Driver）"和"客户端（Client）"** 两个核心组件：

• Driver ：实现外设的功能逻辑（如 LM75 的温度读取流程、AT24C08 的 EEPROM 读写时序），并向上提供文件操作接口（open、read、write等）。
• Client：保存外设的关键信息（如 I²C 从设备地址、所属适配器），是驱动与硬件通信的 "身份凭证"。

以 LM75 为例，lm75 driver实现温度读取的核心逻辑，lm75 client则关联到具体的 I²C 总线（如 IIC1）和设备地址（如 0x48），确保驱动能精准找到目标硬件。

3. IIC 核心层（I²C Core）

由 Linux 内核提供，承担 "中间人 " 角色：负责匹配 I²C 设备与驱动、管理适配器（Adapter）和从设备（Client）的绑定关系，并提供统一的 API 接口（如master_xfer（），i2c_transfer()）供设备驱动调用。

其核心作用包括：

• 维护驱动 - 设备匹配表 ，确保lm75 driver能找到对应的lm75 client；
• 封装底层总线差异，让设备驱动无需关心是 IIC1 还是 IIC2 在处理通信；
• 提供错误处理、并发控制等通用能力，简化设备驱动的开发复杂度。

4. IIC 总线驱动层（Adapter Driver）

实现 I²C 物理总线的底层通信能力，包括 SCL/SDA 引脚控制、时序生成等，操作对象是 I²C 控制器硬件（如 iic0、iic1）。

该层包含三个核心组件：

• Adapter ：如IIC1 adapter、IIC2 adapter，对应物理上的 I²C 控制器（如 SOC 的 I2C0、I2C1 外设），负责生成 SCL、SDA 时序，执行数据收发。
• Device ：如IIC1 device、IIC2 device，是总线上挂载的物理外设的 "硬件描述"，包含设备地址、通信参数等信息。
• IIC driver ：实现适配器的底层驱动逻辑（如寄存器配置、时序生成），向上对接iic core，向下操作硬件寄存器。

例如，IIC1 adapter驱动会初始化 SOC 的 I2C1 控制器，配置通信频率（如 100kHz），并实现master_xfer函数来完成实际的位级通信。

5. IIC 硬件层

硬件层是 I²C 通信的物理载体，以touch screen、lm75、at24c08为代表，涵盖了各类 I²C 外设。这些设备通过 SCL、SDA 引脚与适配器连接，是数据的最终产生或存储端。

核心实体解析

理解 I²C 驱动的关键在于掌握以下核心数据结构和函数：

• i2c_adapter：即 I²C 适配器，对应物理上的 I²C 控制器，管理一条 I²C 总线的通信。
• i2c_algorithm ：定义通信规则（如时序），是master_xfer()函数的实现依据。
• master_xfer() ：数据传输的核心执行函数，通过解析i2c_msg结构体完成实际的读写操作。
• i2c_client：代表 I²C 从设备，包含设备地址、所属适配器等关键信息。
• i2c_msg：描述单次 I²C 传输的消息结构，包含地址、传输方向、数据长度和缓冲区等信息。

核心逻辑关系 ：设备驱动通过client->adapter->algo->master_xfer()的调用链，间接使用总线驱动的底层能力，实现与硬件的解耦。

二、I²C 设备驱动开发实战：以 LM75 和 AT24C08 为例

开发 I²C 设备驱动需遵循 "硬件验证→设备声明→驱动编写→用户层测试" 的流程，以下结合 LM75 温度传感器和 AT24C08 EEPROM 详细说明。

1. 步骤 0：应用层直接操作 I²C 总线（硬件验证阶段）

在编写驱动前，必须先用应用层程序验证硬件通信是否正常，确保总线、设备连接及基本读写逻辑无误。

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    // 打开I²C总线设备节点（根据硬件连接调整，如I2C1对应/dev/i2c-1）
    int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);  
    if(fd < 0)
    {
        perror("open i2c-1 failed");
        return -1;
    }

    // 设置目标从设备地址（LM75为0x48）
    ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);  

    while(1)
    {
        unsigned char buf[2] = {0};
        // 第一步：写入温度寄存器地址（LM75温度寄存器地址为0x00）
        int ret = write(fd, buf, 1);  // buf[0]默认值为0x00
        if(ret != 1)
        {
            perror("write register address failed");
            break;
        }

        // 第二步：读取2字节温度数据
        ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if(ret != 2)
        {
            perror("read temperature data failed");
            break;
        }

        // 解析温度值：(16位数据 >> 7) * 0.5°C
        float temp = (((buf[0] << 8) | buf[1]) >> 7) * 0.5;
        printf("Current Temperature: %.1f°C\n", temp);
        sleep(3);  // 每3秒读取一次
    }

    close(fd);
    return 0;
}

编译与运行：

arm-linux-gnueabihf-gcc i2c_app_test.c -o i2c_app_test
./i2c_app_test  # 若输出温度值，说明硬件通信正常

2. 步骤 1：在设备树（DTS）中声明设备

设备树用于描述硬件信息，Linux 内核通过设备树匹配对应的驱动。需在对应 I²C 总线节点下添加设备信息：

pt.dts

/* IIC1适配器与LM75设备配置 */
&i2c1 {
    clock-frequency = <100000>;  // I²C总线频率100kHz
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;  // 绑定I²C1的引脚配置
    status = "okay";

    lm75@48 {
        compatible = "ti,lm75";  // 兼容性标识，需与驱动匹配
        reg = <0x48>;  // LM75的I²C从设备地址
    };
};

/* IIC2适配器与AT24C08设备配置 */
&i2c2 {
    clock-frequency = <100000>;
    pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c2>;
    status = "okay";

    at24c08@50 {
        compatible = "atmel,at24c08";
        reg = <0x50>;  // AT24C08的I²C从设备地址
    };
};

编写完成后，编译设备树并烧写到开发板：

make pt.dtb  # 编译设备树
cp arch/arm/boot/dts/pt.dtb ~/tftpboot  # 拷贝到TFTP目录供开发板加载

注意 ：compatible字符串必须与驱动中的匹配表完全一致，否则驱动的probe函数无法触发。

3. 步骤 2：编写内核设备驱动

驱动的核心是实现probe（设备匹配成功时调用）、remove（设备移除时调用）以及文件操作接口（open、read等）。

（1）LM75 温度传感器驱动实现

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>

#define DEV_NAME "lm75"
static struct i2c_client *lm75_client;  // 保存从设备指针

// 读取温度数据的核心逻辑
static ssize_t lm75_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *loff) {
    int ret;
    unsigned char data[2] = {0};
    struct i2c_msg msg[2] = {
        // 第一步：写入温度寄存器地址（0x00）
        {
            .addr = lm75_client->addr,
            .flags = 0,  // 写操作
            .len = 1,
            .buf = data  // data[0]默认为0x00
        },
        // 第二步：读取2字节温度数据
        {
            .addr = lm75_client->addr,
            .flags = I2C_M_RD,  // 读操作
            .len = 2,
            .buf = data
        }
    };

    // 调用核心层API完成数据传输
    ret = i2c_transfer(lm75_client->adapter, msg, ARRAY_SIZE(msg));
    if (ret != ARRAY_SIZE(msg))
        return -EIO;

    // 将内核空间数据拷贝到用户空间
    if (copy_to_user(buf, data, 2))
        return -EFAULT;

    return 2;
}

// 文件操作结构体
static const struct file_operations lm75_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = default_open,
    .read = lm75_read,
    .release = default_release,
};

// misc设备（自动分配次设备号，简化设备节点创建）
static struct miscdevice lm75_misc = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = DEV_NAME,
    .fops = &lm75_fops,
};

// 设备匹配成功时调用
static int lm75_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) {
    int ret;
    lm75_client = client;  // 保存从设备指针

    // 注册misc设备，创建/dev/lm75节点
    ret = misc_register(&lm75_misc);
    if (ret < 0) {
        pr_err("misc_register failed\n");
        return ret;
    }

    pr_info("lm75 probe success, slave addr: 0x%x\n", client->addr);
    return 0;
}

// 设备移除时调用
static int lm75_remove(struct i2c_client *client) {
    misc_deregister(&lm75_misc);
    pr_info("lm75 device removed\n");
    return 0;
}

// 设备匹配表（与设备树compatible字段对应）
static const struct i2c_device_id lm75_id_table[] = {
    {DEV_NAME, 0},
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, lm75_id_table);

// I²C驱动结构体
static struct i2c_driver lm75_driver = {
    .probe = lm75_probe,
    .remove = lm75_remove,
    .driver = {
        .name = DEV_NAME,
        .of_match_table = of_match_ptr(lm75_of_match),  // 设备树匹配
    },
    .id_table = lm75_id_table,
};

module_i2c_driver(lm75_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("LM75 Temperature Sensor I2C Driver");

（2）AT24C08 EEPROM 驱动开发要点

AT24C08 是 1KB 的 I²C EEPROM，其驱动开发需关注以下特殊点：

• 地址处理：需 10 位地址，当地址≥256 时，需分 2 字节发送（高 8 位 + 低 8 位）。
• 写操作流程：发送设备地址（写标志）→ 发送内存地址 → 发送数据 → 等待 5ms（内部写周期）。
• 读操作流程：先发送设备地址（写标志）和内存地址，再发送设备地址（读标志），最后读取数据。

开发前建议先通过应用层程序验证通信可行性，例如实现 "写入数据→读取数据→比对验证" 的闭环测试，确保硬件连接和通信逻辑无误后，再封装为内核驱动。

4. 步骤 3：编写用户层测试程序（驱动验证）

（1）LM75 温度读取测试程序

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/lm75", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open /dev/lm75 failed");
        return -1;
    }

    unsigned char data[2];
    while (1) {
        memset(data, 0, sizeof(data));
        if (read(fd, data, 2) != 2) {
            perror("read failed");
            break;
        }

        // LM75温度计算：(16位数据 >> 7) * 0.5°C
        float temp = (((data[0] << 8) | data[1]) >> 7) * 0.5;
        printf("Current Temperature: %.1f°C\n", temp);
        sleep(2);  // 每2秒读取一次
    }

    close(fd);
    return 0;
}

交叉编译后在开发板运行：

arm-linux-gnueabihf-gcc lm75_test.c -o lm75_test
./lm75_test  # 若输出温度值，说明驱动工作正常

三、调试技巧与常见问题排查

1. 必备调试工具

• i2cdetect -l：列出系统中所有可用的 I²C 总线。
• i2cdetect -y 1：扫描 I²C-1 总线上的从设备，验证设备是否被正确识别。
• dmesg：查看内核日志，定位驱动加载失败、probe未触发等问题。
• 示波器：抓取 SCL/SDA 引脚波形，排查时序错误或硬件连接问题。

2. 常见问题解决方案

问题现象	可能原因	解决方法
probe函数未触发	compatible字符串不匹配	确保设备树与驱动的匹配表一致
读取数据异常	未写寄存器地址、总线编号错误	按流程先写地址；确认设备连接的 I²C 总线编号
模块加载失败	模块已加载或符号冲突	用rmmod卸载旧模块，必要时重启开发板
EEPROM 写入无效	未等待内部写周期	写操作后添加msleep(5)延时
二次通信失败	未处理重复起始条件	确保读操作前完整执行 "写地址" 流程

四、工程实践与最佳实践

1. 分层设计的价值

• 总线驱动由 SoC 厂商提供，开发者无需关注底层时序，专注于设备功能逻辑。
• 核心层提供统一 API，降低设备驱动的开发难度，提升代码复用性。

2. 驱动封装的优势

相比应用层直接操作 I²C 总线，内核驱动封装具有明显优势：

对比维度	应用层直接操作	内核驱动封装
硬件知识要求	高（需掌握时序和地址）	低（调用统一 API）
复用性	差（需重复编写通信逻辑）	高（可被多个应用调用）
维护成本	高（硬件变化需修改所有应用）	低（仅需修改驱动）

3. 内核开发注意事项

• 避免在核内使用浮点数：内核无 FPU 支持，浮点数运算会导致性能下降或崩溃，建议返回原始整型数据，由用户层解析。
• 严格检查返回值 ：对i2c_transfer()等函数的返回值进行判断，确保数据传输成功。
• 遵循 GPL 协议 ：内核模块需声明MODULE_LICENSE("GPL")，避免版权问题。

五、总结

Linux I²C 驱动开发的核心是理解 "分层分离 " 的架构思想，遵循 "硬件验证→设备树声明→驱动编写→测试调试" 的流程。开发者无需重复实现底层总线逻辑，只需聚焦于设备的特定功能，通过内核提供的 API 即可快速完成驱动开发。

记住一个核心原则："先通逻辑，再写驱动；硬件问题优先排查"。在实际开发中，善用调试工具，遵循最佳实践，就能高效解决各类问题，开发出稳定可靠的 I²C 设备驱动。