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【Linux驱动开发】Linux I2C 通信详解：从硬件到驱动再到应用

news 2025/11/17 8:47:24

Linux I2C 通信详解：从硬件到驱动再到应用

I²C（Inter-Integrated Circuit，简称 I2C）是 Philips（现 NXP）于 1982 年推出的两线式同步串行总线，仅需 SDA（串行数据）与 SCL（串行时钟）即可实现一主多从、多主多从通信，广泛用于板级低速外设（EEPROM、RTC、温度传感器、PMIC、显示屏控制器等）。Linux 将其抽象为 I2C Core 子系统，提供统一的总线/设备/驱动模型，并支持用户态字符设备、SMBus、PMBus 等高层协议。本文从硬件原理、协议时序、底层驱动框架、内核与用户态接口、实际应用到调试方法，系统梳理 Linux I2C 通信全景。

1. 硬件原理

1.1 物理层

信号线：
- SCL：时钟，主设备驱动，开漏/集电极输出；
- SDA：数据，双向，开漏输出；
- 上拉电阻：典型 1.8 kΩ–10 kΩ，决定上升时间与最大速度；
电平标准：与 VDD 相同（1.8 V/3.3 V/5 V），允许不同电压域通过电平转换芯片（PCA9306、TXS0102 等）互联；
拓扑：总线型，可并联多个主/从设备，地址 7 位（0–127）或 10 位扩展；

速度模式：

模式	比特率	备注
标准 (Sm)	≤100 kHz	最通用，上拉 4.7 kΩ@5 V
快速 (Fm)	≤400 kHz	上拉 2.2 kΩ@3.3 V
快速+ (Fm+)	≤1 MHz	驱动能力 20 mA，更陡斜率
高速 (Hs)	≤3.4 MHz	需要电流源主设备，特殊时序
超快 (UFm)	≤5 MHz	单向，仅用于 LED 驱动等

1.2 开漏输出与“线与”

SDA/SCL 引脚配置为开漏：输出低 = 下拉，输出高 = 高阻，由上拉电阻拉至高；
多主仲裁：谁先发低谁赢得总线，实现“线与”逻辑；
热插拔安全：无电源设备不会驱动高电平，避免冲突。

1.3 I2C 控制器框图

在这里插入图片描述

时钟生成：主模式时分频 APB 时钟产生 SCL；从模式检测 SCL 同步；
移位寄存器：SDA 串行 ⇄ 8 位并行；
地址比较器：硬件过滤匹配自身从地址，可支持双地址+广播；
DMA 接口：TX/RX FIFO 到内存，减少 CPU 介入；
中断事件：START/STOP 检测、地址匹配、字节完成、仲裁丢失、总线错误 (BUSERR)；
滤波/斜率控制：抑制 50 ns 以下毛刺，满足快速模式要求。

2. 协议时序与帧格式

I2C 是同步多主总线，靠 SCL 上升沿采样 SDA，协议元素：

在这里插入图片描述

阶段	描述
总线空闲	SDA = SCL = 高；
START 条件	SDA 先降后 SCL 降，主设备抢占总线；
地址帧	7 位地址 + 1 位 R/W#（0=写 1=读）；从设备在第 9 时钟拉低 SDA 作为 ACK；
数据帧	每字节 8 位，MSB 先出；每字节后跟随 1 位 ACK/NACK；
重启动 (Sr)	不释放总线，再次发送 START 切换方向（常用于读 EEPROM）；
STOP 条件	SCL 先升后 SDA 升，释放总线；
仲裁/时钟同步	多主同时拉低时“线与”决定胜出；时钟延展 (clock stretching) 允许从设备拉低 SCL 等待。

2.1 读写组合示例

写 1 字节：[S] [Addr+W] [ACK] [Data] [ACK] [P]
读 1 字节：[S] [Addr+W] [ACK] [Sr] [Addr+R] [ACK] [Data] [NACK] [P]
页写 EEPROM：连续发送 ≤页大小字节，最后 STOP 触发内部写周期 (tWR ≈ 5 ms)。

2.2 SMBus 与 PMBus 扩展

SMBus：超时 35 ms、最低速 10 kHz、块读/写、PEC 校验；
PMBus：基于 SMBus，定义电源管理命令码；Linux i2c-smbus 提供 i2c_smbus_read_word_data() 等 API。

3. Linux I2C 驱动框架

Linux 采用“总线-设备-驱动”模型，核心文件：drivers/i2c/i2c-core.c

在这里插入图片描述

3.1 关键数据结构

结构体	作用
`struct i2c_adapter`	代表一条 I2C 总线（控制器），提供算法 (`algo`) 访问硬件；
`struct i2c_algorithm`	函数指针集：`master_xfer()`（主模式）、`smbus_xfer()`、`
functionality()`；
`struct i2c_client`	代表挂在总线上的从设备，含地址、设备树句柄、驱动指针；
`struct i2c_driver`	从设备驱动，匹配 `i2c_client`，提供 `probe/remove/suspend/resume`；
`struct i2c_board_info`	静态表或设备树描述从设备信息；
`struct i2c_msg`	一次传输消息：地址、标志（读/写）、长度、缓冲区；

3.2 注册与匹配流程（主模式）

SoC 初始化 → platform_driver 探测 → i2c_add_numbered_adapter()；
设备树/ACPI 解析 → i2c_register_device() 创建 i2c_client；
总线遍历：i2c_driver->id_table/of_match_table 与 i2c_client 匹配；
匹配成功 → 调用 i2c_driver->probe()，驱动内部 i2c_transfer() 读写寄存器。

3.3 传输 API

最底层：i2c_transfer(adapter, msgs, num) → 调用 algo->master_xfer；
SMBus 封装：i2c_smbus_read_byte_data(client, reg)；
DMA 友好：i2c_msg 用 I2C_M_RD 标志区分读/写，支持散聚。

3.4 从设备驱动示例（精简）

#include <linux/module.h>
#include <linux/i2c.h>static const struct i2c_device_id my_ids[] = {{ "my_sensor", 0 },{ }
};
static int my_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{u8 reg = 0x00;u8 val;i2c_smbus_read_byte_data(client, reg);  // 读寄存器return 0;
}
static struct i2c_driver my_driver = {.driver = { .name = "my_sensor", },.id_table = my_ids,.probe    = my_probe,
};
module_i2c_driver(my_driver);
MODULE_DESCRIPTION("I2C 从设备驱动模板");

3.5 GPIO 模拟 I2C (i2c-gpio)

无硬件控制器时，用两条 GPIO 位 bang 实现；
通过 i2c-gpio 平台驱动注册 i2c_adapter，算法为 bit_xfer；
速度受 GPIO 翻转延迟限制，通常 <100 kHz。

4. 用户态访问接口

4.1 字符设备 `/dev/i2c-N`

内核配置 CONFIG_I2C_CHARDEV；
通过 ioctl 进行读写：

int file = open("/dev/i2c-0", O_RDWR);
ioctl(file, I2C_SLAVE, 0x50);        // 设置从地址
write(file, buf, 1);                 // 写寄存器地址
read(file, buf, 2);                  // 读数据

工具：i2cdetect -y 0 扫描地址，i2cget -y 0 0x50 0x00 读字节，i2cset 写字节，i2cdump 看整段寄存器。

4.2 sysfs 接口（已逐步淘汰）

/sys/bus/i2c/devices/0-0050/ 下提供 name/uevent；新芯片建议用 hwmon/rtc 等子系统属性。

4.3 调试与跟踪

dynamic_debug：

echo 'file i2c-core.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control

可打印每次 i2c_transfer 消息；

i2c-tools 的 i2ctransfer：支持一次命令多条消息，例如：

i2ctransfer -y 0 w1@0x50 0x00 r2      # 写寄存器偏移，再读 2 字节

逻辑分析仪：Saleae、DSLogic 抓 SDA/SCL 波形，确认 ACK/仲裁/时钟延展。

5. 实际应用与场景

外设类型	典型地址	常用命令/注意
24C02 EEPROM	0x50–0x57	页写 8 字节，tWR = 5 ms，需轮询 ACK
DS3231 RTC	0x68	0x00–0x06 存放秒/分/时，ALM 中断需上拉
LM75 温度	0x48–0x4F	指针寄存器 0x00 = Temp，分辨率 0.125 °C
MPU6050 IMU	0x68/0x69	PWR_MGMT_1 = 0x00 退出休眠，量程寄存器
PMIC BD71837	0x4B	多组 Buck/LDO，上电时序通过 I2C 配置
触控 FT6236	0x38	中断脚 + RESET 脚，需时钟延展支持

5.1 多主与热插拔

同一总线可存在 CPU + PMIC 主设备，需仲裁；
热插拔 O(∩_∩)O：使用零欧姆电阻/模拟开关隔离，或采用 I2C 热插拔缓冲器 (PCA9515/PCA9516)。

5.2 电平转换与隔离

1.8 V ⇄ 3.3 V：PCA9306 双电压转换器，VREF1/VREF2 各接上拉；
隔离：ISO1540 磁耦，支持 1 MHz，耐压 2.5 kV。

6. 故障排查与性能优化

现象	可能原因	排查/解决
`i2cdetect` 无应答	上拉缺失/地址错误/芯片未供电	万用表量 SDA/SCL 高电平 ≈ VDD；示波器看是否有 START
随机 NACK	从设备忙 (EEPROM 写周期)	加入 retry 或等待 tWR；用 `i2c_smbus_read_byte_data()` 自带重试
波形过冲	上拉太小/线太长	加大上拉至 4.7 kΩ，串联 22 Ω 阻尼电阻，降速到 100 kHz
仲裁丢失	多主冲突	使能 `I2C_M_RECV_LEN` 动态长度，检查另一主设备访问
时钟延展过长	从设备 BUG	限制总线时钟延展阈值，或换用高速模式 + 电流源主

6.1 吞吐与延迟优化

高速模式：主设备支持 3.4 MHz，用电流源上拉，缩短上升时间；
大包 DMA：i2c_msg 长度 > 32 字节时，驱动启用 DMA，减少中断；
合并消息：一次 i2c_transfer 携带写寄存器+读数据，减少 START/STOP 开销；
拉高优先级：将 I2C 控制器中断绑到实时核，PREEMPT_RT 下抖动 < 200 µs。

7. 小结

I2C 以“两线+上拉+线与仲裁”实现极简总线，却覆盖从 EEPROM、传感器到电源管理的广泛应用。Linux 通过“adapter-client-driver”模型把控制器与从设备解耦，统一使用 i2c_transfer/smbus API；用户态则通过 /dev/i2c-N 和 i2c-tools 快速验证外设。掌握 START/STOP/ACK/时钟延展/仲裁的时序细节，再配合上拉选型、速度模式、DMA 与逻辑分析仪，可在嵌入式、工控、物联网场景中快速定位 NACK、仲裁丢失、写周期延迟等问题，实现稳定高速的多节点通信。