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手把手教你写一个可靠的 I2C 从设备驱动

你有没有遇到过这样的场景：板子上接了一个温湿度传感器，明明硬件连接没问题，电源也正常，但i2cdetect就是扫不到设备？或者读出来的数据乱七八糟，调试半天才发现是字节顺序搞反了？

别急，这背后很可能不是你的代码写得差，而是对I2C 驱动机制的理解不够深。在嵌入式 Linux 开发中，I2C 看似简单——两根线、地址一配、读写搞定。可一旦涉及中断、热插拔、跨平台适配，问题就层出不穷。

今天我们就来彻底拆解一遍如何从零开始编写一个健壮的 I2C 从设备驱动，不讲空话套话，只讲你在实际开发中真正会用到的东西：协议要点、内核架构、设备树配置、核心 API 使用，以及那些藏在手册里的“坑”。

为什么 I2C 如此重要？

先说结论：I2C 是现代嵌入式系统中最常用、最不可替代的低速总线之一。

它不像 SPI 那样高速，也不像 UART 只能点对点通信。它的优势在于“省”和“多”：

• 仅需两根引脚（SDA + SCL）
• 一条总线上可以挂载多达 128 个设备（7位地址）
• 几乎所有 SoC 都内置 I2C 控制器
• Linux 内核支持完善，生态成熟

所以无论是传感器、EEPROM、RTC 还是触摸控制器，几乎都能看到 I2C 的身影。掌握它的驱动开发能力，等于打通了外设接入的第一道关卡。

但这也意味着：如果你写的驱动不稳定，整个系统的可靠性都会受影响。

先搞明白：I2C 到底是怎么通信的？

很多开发者直接跳进代码，结果连最基本的通信流程都没理清。我们不妨先回到硬件层面，把关键机制捋清楚。

起始与停止信号：每次通信的“开关”

I2C 是半双工总线，所有操作都由主设备发起。通信开始时，主控会拉低 SDA（数据线），而此时 SCL（时钟线）保持高电平——这就是起始条件（Start Condition）。相反，当 SCL 为高时 SDA 从低变高，则表示停止条件（Stop Condition），一次传输结束。

中间的数据传输则按字节进行，每传完一个字节，接收方必须给出一个 ACK（应答）信号，否则就是 NACK。

📌小贴士：逻辑分析仪抓波形时，第一眼看的就是 Start 和 Stop 是否正确。如果连 Start 都没触发，那基本可以确定是软件没发出请求或硬件未使能。

地址帧结构：你是谁？

主设备要访问某个从设备，首先要发送它的地址。标准模式下使用的是7位地址 + 1位读写标志，共 8 位。

比如你要向地址为0x48的设备写数据，实际发送的是0x90（0x48 << 1 | 0）；如果是读，就是0x91（0x48 << 1 | 1）。

注意！这个地址是你在设备手册里查到的原始值左移一位后的结果。很多初学者在这里栽跟头，误以为直接发0x48就行，其实是错的。

复合消息（Combined Format）：读寄存器的标准姿势

最常见的操作是“先写寄存器地址，再读数据”。例如你想读 LM75 的温度值：

1. 发送起始信号
2. 写设备地址（W）
3. 写目标寄存器地址（如0x00）
4. 不发 Stop，而是立刻重发起始（Repeated Start）
5. 发送设备地址（R）
6. 读取两个字节数据
7. 发 Stop

这种“中间不断开”的方式叫做repeated start，对应的在 Linux 中就是使用i2c_transfer()提交多个i2c_msg消息数组。

如果你中途发了 Stop，总线就会释放，第二次启动就变成了独立事务，某些设备可能无法响应。

Linux 内核中的 I2C 子系统长什么样？

理解了物理层之后，我们进入软件世界。Linux 对 I2C 的抽象非常清晰，主要分为三个层次：

它们之间的关系可以用一句话概括：Driver 描述“怎么操作”，Client 描述“哪个设备”，Adapter 负责“实际执行”。

匹配机制：设备和驱动是如何凑到一起的？

当你插入一块新板卡，系统是怎么知道该加载哪个驱动的？答案就在设备树（Device Tree）和.compatible字段中。

流程如下：

1. 设备树声明了某个 I2C 总线下挂了一个lm75@48，其compatible = "national,lm75"；
2. 内核解析 DTB 后创建一个i2c_client实例；
3. 此时如果有注册过的驱动包含.of_match_table条目匹配"national,lm75"，就会调用其.probe()函数；
4. probe 成功后，设备正式上线。

这就实现了“硬件描述”和“软件功能”的解耦。同一个驱动文件可以在不同项目中复用，只要设备兼容字符串一致即可。

设备树该怎么写？别让语法错误拖后腿

设备树虽然强大，但也最容易因拼写错误导致设备无法识别。下面是一个典型的 I2C 设备节点定义：

&i2c1 { status = "okay"; clock-frequency = <400000>; // 设置为 400kHz 快速模式 temperature_sensor: lm75@48 { compatible = "national,lm75"; reg = <0x48>; interrupt-parent = <&gpio1>; interrupts = <25 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>; }; };

几个关键点必须注意：

• reg = <0x48>：这里的地址是7位地址，不要加读写位。
• clock-frequency：如果不设置，默认可能是 100kHz，影响性能。
• interrupts：如果设备有中断输出（比如超温报警），需要指定 GPIO 编号和触发类型。
• status = "okay"：确保 I2C 控制器本身被启用。

💡经验之谈：如果你发现设备没加载，第一步不是看驱动代码，而是运行：

bash i2cdetect -y -a 1

看是否能在总线上看到对应地址。如果看不到，八成是设备树或硬件问题。

核心驱动代码实战：以 LM75 温度传感器为例

现在我们动手写一个完整的驱动骨架。这不是玩具代码，而是生产环境中可用的基础模板。

第一步：定义私有数据结构

每个设备通常都需要保存一些运行状态，比如 client 指针、锁、缓存等：

struct lm75_data { struct i2c_client *client; struct mutex lock; /* 并发访问保护 */ bool powered; /* 电源状态标记 */ };

第二步：声明支持的设备列表

有两个匹配途径：传统 ID 表 和 设备树 compatible 匹配。

/* 支持的传统设备ID */ static const struct i2c_device_id lm75_id[] = { { "lm75", 0 }, { } }; MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, lm75_id); /* 支持的设备树兼容性 */ static const struct of_device_id lm75_of_match[] = { { .compatible = "national,lm75" }, { } }; MODULE_DEVICE_TABLE(of, lm75_of_match);

✅最佳实践：同时提供两种匹配方式，增强兼容性。

第三步：实现 probe 函数 —— 设备初始化的核心

static int lm75_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) { struct lm75_data *data; int ret; /* 检查适配器是否支持所需的通信功能 */ if (!i2c_check_functionality(client->adapter, I2C_FUNC_SMBUS_WORD_DATA)) { dev_err(&client->dev, "I2C adapter does not support word access\n"); return -EIO; } /* 分配并初始化私有数据 */ data = devm_kzalloc(&client->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL); if (!data) return -ENOMEM; >static int lm75_read_temperature(struct i2c_client *client) { s32 raw; int temp; raw = i2c_smbus_read_word_data(client, LM75_REG_TEMP); if (raw < 0) { dev_err(&client->dev, "Read failed: %d\n", raw); return raw; } /* 注意：SMBus 返回的是 little-endian，但 LM75 发送的是 big-endian */ raw = swab16(raw); /* 字节交换 */ temp = sign_extend32(raw >> 7, 8) * 500; /* 转换为 m°C，分辨率 0.5°C */ return temp; /* 单位：微摄氏度（μ°C）更佳，此处简化为毫度 */ }

🔥经典坑点：忘记swab16()导致读出 256°C 的“高温奇迹”。务必根据芯片手册确认数据格式！

第五步：remove 函数与模块注册

static int lm75_remove(struct i2c_client *client) { dev_info(&client->dev, "LM75 removed\n"); return 0; } static struct i2c_driver lm75_driver = { .driver = { .name = "lm75", .of_match_table = lm75_of_match, }, .probe = lm75_probe, .remove = lm75_remove, .id_table = lm75_id, }; module_i2c_driver(lm75_driver);

使用module_i2c_driver()宏可以省去手动调用i2c_add_driver()和注销函数，更加简洁安全。

更底层的操作：什么时候要用i2c_transfer()？

前面用了i2c_smbus_read_word_data()，这是高层封装，方便但有限制。如果你面对的是非标准协议、批量数据传输或需要精确控制 timing，就得上i2c_transfer()。

比如你要连续读取 6 字节的加速度计原始数据：

u8 reg = 0x28; /* 数据起始寄存器 */ u8 buf[6]; struct i2c_msg msgs[2]; /* Step 1: 写寄存器地址 */ msgs[0].addr = client->addr; msgs[0].flags = 0; msgs[0].len = 1; msgs[0].buf = ® /* Step 2: 读取6字节数据 */ msgs[1].addr = client->addr; msgs[1].flags = I2C_M_RD; msgs[1].len = 6; msgs[1].buf = buf; int ret = i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2); if (ret != 2) { dev_err(&client->dev, "I2C transfer failed: %d\n", ret); return -EIO; }

这种方式完全可控，适合复杂场景。记住：返回值是成功传输的消息数，不是字节数！

常见问题与调试技巧（血泪总结）

❌ 问题1：i2cdetect扫不到设备

• ✅ 检查设备树status="okay"和reg地址是否正确
• ✅ 测量 VCC 是否供电（万用表最直接）
• ✅ 查看上拉电阻是否存在（典型值 4.7kΩ）
• ✅ 使用逻辑分析仪观察是否有 Start 信号发出

❌ 问题2：总是收到 NACK

• ✅ 地址是否左移了一位？（常见错误）
• ✅ 从设备是否处于 reset 或 sleep 状态？
• ✅ SDA/SCL 是否被其他设备拉低？

❌ 问题3：读出的数据错乱

• ✅ 是否处理了字节序？swab16()/be16_to_cpu()不能少
• ✅ 是否使用了正确的寄存器地址？对照 datasheet 再核对一遍
• ✅ 是否在读写之间加了必要延时？（某些 ADC 需要稳定时间）

✅ 调试利器推荐

最后一点思考：I2C 的未来会被取代吗？

随着 I3C（Improved I2C）的推出，更高带宽、更低功耗、动态地址分配等特性正在逐步落地。但它仍然向下兼容 I2C，短期内不会动摇现有生态。

对于我们开发者来说，深入理解 I2C 不仅是为了现在能快速接入外设，更是为了将来平滑过渡到 I3C 打下基础。毕竟，通信的本质从未改变：精准、可靠、可维护。

如果你正在做一个新的传感器模块，不妨试着用本文的方法从头写一遍驱动。你会发现，原来那些看似神秘的 I2C 通信，其实都有迹可循。

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