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在 Linux 下使用 I2C（Inter-Integrated Circuit）进行用户态编程 — 教程与实战

news 2025/10/24 8:00:21

概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常见的串行总线协议，广泛用于传感器、EEPROM、ADC/DAC 等外设。Linux 提供了用户态访问 I2C 的接口（/dev/i2c-X）。本教程介绍关键结构体、系统调用、示例代码及调试技巧，便于开发者快速上手并排查常见问题。

基本概念与接口

设备节点：Linux 下的 I2C 总线设备通常以 /dev/i2c-X 命名（X 为总线编号）。
访问方式：通过 open / read / write / ioctl 等系统调用在用户态与从设备交互。
主从模型：通常 Linux 作为主控制器（master），从设备（slave）由 7 位或 10 位地址标识。

关键结构体与标志位

struct i2c_msg（描述单次 I2C 事务）：

struct i2c_msg {__u16 addr;    // 从设备地址__u16 flags;   // 操作标志__u16 len;     // 数据长度__u8 *buf;     // 数据缓冲区指针
};

常见 flags：

I2C_M_RD：表示读操作（否则为写操作）。
I2C_M_TEN：使用 10 位地址。
I2C_M_STOP：在消息结束生成 STOP（取决于驱动/控制器）。

用户态 I2C 编程流程（打开、设置地址、读写）

步骤概览：

打开设备节点：open("/dev/i2c-X", O_RDWR)
设置目标从设备地址：ioctl(file, I2C_SLAVE, addr)
读写数据：write() / read() 或组合多个 i2c_msg 使用 I2C_RDWR

示例：打开设备并设置地址（包含基本错误处理）

int file = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);
if (file < 0) {perror("Failed to open the i2c bus");// 处理打开失败（检查驱动、权限、设备节点）
}
int addr = 0x50;
if (ioctl(file, I2C_SLAVE, addr) < 0) {perror("Failed to acquire bus access and/or talk to slave");// 可能原因：设备不存在、驱动不支持该 ioctl 或权限问题
}

简单读写示例

写入单字节：

unsigned char out = 0xA0;
if (write(file, &out, 1) != 1) {perror("Failed to write to the i2c bus");
}

读取单字节：

unsigned char in;
if (read(file, &in, 1) != 1) {perror("Failed to read from the i2c bus");
} else {printf("Data read: 0x%02x\n", in);
}

使用 I2C_RDWR 进行复杂读写（示例与说明）

场景：先写寄存器地址，再读寄存器数据（常用于寄存器映射设备）。

写入多个字节（寄存器地址 + 数据）：

unsigned char outbuf[3] = { 0x10, 0x01, 0x02 }; // reg=0x10, data=0x01,0x02
struct i2c_msg messages[1];
messages[0].addr  = addr;
messages[0].flags = 0;  // 写
messages[0].len   = 3;
messages[0].buf   = outbuf;
struct i2c_rdwr_ioctl_data ioctl_data = { messages, 1 };
if (ioctl(file, I2C_RDWR, &ioctl_data) < 0) {perror("Failed to write to the i2c bus");
}

读取寄存器（先写寄存器地址，随后读数据）：

unsigned char reg = 0x10;
unsigned char inbuf[1];
struct i2c_msg messages[2];
messages[0].addr  = addr;
messages[0].flags = 0;           // 写寄存器地址
messages[0].len   = 1;
messages[0].buf   = &reg;
messages[1].addr  = addr;
messages[1].flags = I2C_M_RD;    // 读数据
messages[1].len   = 1;
messages[1].buf   = inbuf;
struct i2c_rdwr_ioctl_data ioctl_data2 = { messages, 2 };
if (ioctl(file, I2C_RDWR, &ioctl_data2) < 0) {perror("Failed to read from the i2c bus");
} else {printf("Register 0x10 read: 0x%02x\n", inbuf[0]);
}

完整示例程序（精简版，带错误提示）

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <unistd.h>int main() {int file;int addr = 0x50;file = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);if (file < 0) { perror("open"); return 1; }if (ioctl(file, I2C_SLAVE, addr) < 0) { perror("ioctl I2C_SLAVE"); close(file); return 1; }// ...读写示例（参考上文）...close(file);return 0;
}