Day67 Linux I²C 总线与设备驱动架构、开发流程与调试

day67 Linux I²C 总线与设备驱动架构、开发流程与调试

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一、I²C 驱动体系结构总览

Linux I²C 子系统采用 分层 + 分离 的设计思想，整体架构如下：

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|     应用层 (User)   | ← 可直接调用 I²C 接口（如 i2c-tools）
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|   I²C 设备驱动      | ← 如 lm75_driver、at24c08_driver
|   (Client Driver)   |
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|    I²C 核心层       | ← 内核提供，负责匹配 device 与 driver，
|   (I²C Core)        |   管理 adapter 与 client 的绑定
+---------------------+
|   I²C 总线驱动      | ← 如 i2c-s3c2410、i2c-gpio
|   (Adapter Driver)  |
+---------------------+
|     硬件 (HW)       | ← I²C 控制器 + 外设（如 LM75 接在 I²C1 上）
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核心实体说明

实体	说明
I²C 总线驱动（Adapter / Bus Driver）	实现 I²C 物理总线的读写能力（如 SCL/SDA 控制、时序生成），操作对象是 I²C 总线硬件（如 iic0、iic1、iic2）
I²C 设备驱动（Client Driver）	针对具体 I²C 外设（如 lm75、at24c08）实现其功能逻辑，操作对象是 I²C 从设备
platform driver / device	基于 platform bus 框架，用于描述和驱动 I²C 控制器硬件（即 I²C adapter）
i2c_adapter	I²C 适配器（也称 I²C 控制器或主机控制器），负责管理一条 I²C 总线的通信
i2c_algorithm	定义 I²C 总线通信规则（如时序生成方式），是 master_xfer() 的“说明书”
master_xfer()	基于 algorithm 实现具体的数据收发，是“执行器”，通过解析 i2c_msg 数组完成传输
i2c_client	代表 I²C 从设备，包含设备地址、所属 adapter 等信息
i2c_msg	描述一次 I²C 传输的消息结构体

✅ 关键理解：

• 总线驱动操作“总线”（如 iic0、iic1）
• 设备驱动操作“设备”（如 lm75、at24c08）
• 设备驱动通过 client->adapter->algo->master_xfer() 调用底层总线能力

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二、I²C 设备驱动开发流程（以 LM75 为例）

步骤 1：设备树（DTS）中声明设备

&i2c1 {clock-frequency = <100000>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;status = "okay";lm75@48 {compatible = "ti,lm75";  // 必须包含厂商前缀reg = <0x48>;            // I²C 从设备地址};
};

操作命令：

vim arch/arm/boot/dts/pt.dts
make pt.dtb
cp arch/arm/boot/dts/pt.dtb ~/tftpboot

⚠️ 注意：compatible 字符串必须与驱动中的匹配表一致，否则 probe 不会触发。

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步骤 2：编写内核设备驱动（lm75_driver1.c）

#include <linux/init.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/string.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/of.h>#define DEV_NAME "lm75"
static struct i2c_client * lm75_client;  // 保存 client 指针，供 read/write 使用// 打开设备文件时调用
static int open(struct inode * node, struct file * file)
{return 0;
}// 读取温度数据
static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t len, loff_t * loff)
{// iic read/writeint ret = 0;unsigned char data[2] = {0};struct i2c_msg msg;// 第一步：写寄存器地址（0x00，温度寄存器）msg.addr = lm75_client->addr;   // 从 client 获取设备地址msg.flags = 0;                  // 写操作msg.len = 1;                    // 写1字节地址msg.buf = data;                 // data[0] 默认为0，即寄存器0ret = lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &msg, 1);if(ret < 0)return ret;// 第二步：读取2字节温度数据msg.addr = lm75_client->addr;msg.flags = I2C_M_RD;           // 读操作标志msg.len = 2;                    // 读2字节msg.buf = data;                 // 接收缓冲区ret = lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &msg, 1);if(ret < 0)return ret;// 将内核数据拷贝到用户空间ret = copy_to_user(buf, data, 2);	return ret;
}// 写操作（本例未实现）
static ssize_t write(struct file * file, const char __user * buf, size_t len, loff_t * loff)
{return 0;
}// 关闭设备文件
static int close(struct inode * node, struct file * file)
{return 0;
}// 文件操作结构体
static  struct file_operations fops = 
{.owner = THIS_MODULE,.open = open,.read = read,.write = write,.release = close
};// misc 设备结构体（自动分配次设备号）
static struct miscdevice misc = 
{.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.name = DEV_NAME,.fops = &fops
};// 设备匹配成功时调用（probe）
static int probe(struct i2c_client * pclient, const struct i2c_device_id * device_id)
{int ret = misc_register(&misc);if(ret < 0)goto err_misc;lm75_client = pclient;  // 保存 client 指针printk("lm75  probe  slave addr = 0x%x ...\n", lm75_client->addr);return 0;err_misc:printk("misc_register  failed\n");return ret;
}// 设备移除时调用
static int remove(struct i2c_client * pclient)
{misc_deregister(&misc);printk("lm75  remove  ...\n");return 0;
}// 支持的设备列表（用于匹配）
static const struct i2c_device_id lm75_table[] = 
{{.name = "lm75"},{}
};// I²C 驱动结构体
static struct i2c_driver lm75_driver = 
{.probe = probe,.remove = remove,.driver = {.name = DEV_NAME,},.id_table = lm75_table
};// 模块初始化
static int __init lm75_driver_init(void)
{int ret = i2c_add_driver(&lm75_driver);if(ret < 0)goto err_i2c_add;printk("lm75_driver_init    ...\n");return 0;err_i2c_add:return ret;
}// 模块退出
static void __exit lm75_driver_exit(void)
{i2c_del_driver(&lm75_driver);printk("lm75_driver_exit   ...\n");
}module_init(lm75_driver_init);
module_exit(lm75_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

代码功能说明：

• 通过 miscdevice 注册 /dev/lm75 设备节点
• 在 probe 中保存 i2c_client 指针
• read 函数实现标准 I²C 读流程：先写寄存器地址 0x00，再读 2 字节温度数据
• 使用 master_xfer() 直接调用底层总线驱动的传输函数（不推荐，应使用 i2c_transfer()，但此处保留原代码）

编译与加载命令：

make modules
cp drivers/char/lm75_driver1.ko ~/nfs/imx6/rootfs
insmod lm75_driver1.ko

理想运行结果：

/ # insmod lm75_driver1.ko
lm75  probe  slave addr = 0x48 ...
lm75_driver_init    ...
/ # ./lm75_app1
temp = 27.5
temp = 28.0
temp = 28.5
...
/ # rmmod lm75_driver1
lm75  remove  ...
lm75_driver_exit   ...

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步骤 3：编写用户空间测试程序（lm75_app1.c）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>int main(int argc, const char *argv[])
{int fd = open("/dev/lm75", O_RDWR);  // 打开驱动创建的设备节点if(fd < 0){perror("open lm75 ");return -1;}unsigned char data[2] = {0};while(1){int ret = read(fd, data, 2);  // 读取2字节原始温度数据// 解析：LM75 温度 = (16位值 >> 7) * 0.5°Cfloat temp = (((data[0] << 8) | data[1]) >> 7) * 0.5;printf("temp = %.1f\n", temp);sleep(2);}close(fd);return 0;
}

编译命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc lm75_app1.c -o lm75_app1

💡 注意：此程序依赖内核驱动创建的 /dev/lm75。若驱动未加载，open 会失败。

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三、应用层直接操作 I²C 总线（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。

#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[])
{int fd = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);  // 注意：此处应为 i2c-1（若接在 I2C1）if(fd < 0){perror("open i2c-0");return -1;}ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x48);  // 设置从设备地址为 0x48while(1){unsigned char buf[2] = {0};// 第一步：写寄存器地址（0x00）int ret = write(fd, buf, 1);  // buf[0]=0printf("ret = %d\n", ret);// 第二步：读取2字节数据read(fd, buf, sizeof(buf));float temp = (((buf[0] << 8) | buf[1]) >> 7) * 0.5;printf("temp = %.1f\n", temp);sleep(3);}close(fd);return 0;
}

编译命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc lm75_app1.c -o lm75_app1

⚠️ 常见错误：

• 总线编号错误（如设备接在 i2c-1，却打开 i2c-0）
• 未先写寄存器地址（直接 read 会读到不确定位置的数据）
• 硬件焊接错误（如 LM75 引脚反接）

调试工具：

i2cdetect -l          # 列出所有 I²C 总线
i2cdetect -y 1        # 扫描 i2c-1 上的设备
dmesg                 # 查看内核日志

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四、AT24C08 EEPROM 驱动开发要点

关键通信逻辑

1. 地址长度：

   • AT24C08 有 1024 字节（1K）空间，需 10 位地址
   • 地址 ≤ 255（0xFF）：发送 1 字节地址
   • 地址 ≥ 256（如 0x100）：必须发送 2 字节地址（高8位 + 低8位）

2. 写操作流程：

   • 发送设备地址 + 写标志
   • 发送内存地址（1 或 2 字节）
   • 发送数据（注意页写限制，通常一页 8/16 字节）
   • 等待 5ms（EEPROM 内部写周期）

3. 读操作流程（随机读）：

   • 先写：设备地址 + 写 → 内存地址
   • 再读：设备地址 + 读 → 读取数据

调试建议

• 先在应用层验证：

  vim i2c1_at24c08.c
  arm-linux-gnueabihf-gcc i2c1_at24c08.c -o at24c08_app
  

• 闭环测试：写入 0x55 → 读回 → 比对
• 加入延时：写后 msleep(5)
• 检查地址字节数：高地址必须发 2 字节

✅ 经验总结：
“逻辑都没通，你怎么写驱动？写多少条都没用。”
—— 先通逻辑，再写驱动；先验证通信，再封装功能

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五、常见问题与排查

问题	可能原因	解决方法
probe 未触发	compatible 不匹配	DTS 中写 "ti,lm75"，驱动中匹配表写 "lm75"（或完整字符串）
读取数据为 0	地址未写、总线错误、硬件问题	用 i2cdetect 扫描；检查焊接；示波器抓波形
模块加载失败	已加载、符号冲突	rmmod 后重试；必要时重启
第二次通信失败	未正确处理 Repeated START	确保读操作前完整执行“写地址”流程
写入无效	未等待 EEPROM 写完成	写后加 msleep(5)

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六、工程理念与最佳实践

1. 分层思想

• 总线驱动（adapter）：SoC 厂商提供，无需重写
• 核心层（i2c-core）：内核提供统一 API（如 i2c_transfer()）
• 设备驱动（client）：开发者只需实现设备特定逻辑

2. 驱动封装价值

对比项	应用层直接操作	内核驱动封装
硬件知识要求	高	低
复用性	差	高
抽象程度	无	高
维护成本	高	低

🌟 核心理念：驱动的目标是 让不懂硬件的人也能正确使用设备

3. 内核开发注意事项

• 避免浮点数：内核中不应使用 float（无 FPU 或性能差）
• 推荐返回原始整型数据（如 16 位有符号整数），由用户空间解析
• 务必检查 i2c_transfer() 返回值（应等于消息数量）

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七、总结

• I²C 驱动 = 总线驱动 + 设备驱动
• 开发流程：设备树声明 → 应用层验证 → 编写驱动 → 测试
• 关键匹配：DTS 中 compatible 必须与驱动 id_table 一致
• 数据读取：先写寄存器地址，再读数据（LM75）；先写内存地址，再读/写（AT24C08）
• 调试原则：先通逻辑，再写驱动；硬件问题优先排查

“不是重复造轮子，而是把轮子装到车上。”
—— 内核提供 I²C 通信“轮子”，开发者只需将设备逻辑“装上车”