手把手实现Linux内核I2C驱动与用户空间通信：从协议到实战

你有没有遇到过这样的场景？新焊了一块温湿度传感器，设备树也写了，驱动编译进去了，但cat /sys/bus/i2c/devices/...死活看不到节点。或者好不容易读出数据，却是0xFF、0x00来回跳？别急——这不是硬件坏了，而是你还没真正“看懂”Linux的I2C子系统。

今天我们就来一次打通任督二脉：不讲空话，不堆术语，用一个完整可运行的示例，带你从I2C协议底层走到用户空间应用层，把“驱动写完却无法通信”这个老大难问题彻底解决。

为什么你的I2C驱动“活着”，但设备就是“看不见”？

在嵌入式开发中，I2C是最常见的外设总线之一。它只需要两根线（SDA和SCL），就能挂载几十个传感器、EEPROM、IO扩展芯片。但在实际项目中，很多人卡在第一步：“我明明注册了驱动，为什么系统找不到设备？”

根本原因在于：Linux的I2C子系统是一套“匹配机制”驱动的框架，不是你加载了驱动就一定能工作。它要求硬件配置、设备描述、驱动逻辑三者精准对齐。

我们先快速过一遍关键环节：

• 物理层：SDA/SCL是否接好？上拉电阻有没有？电压是否匹配？
• 设备树：节点是否存在？compatible字符串对不对？reg地址是不是7位？
• 驱动端：of_match_table能否匹配？probe函数是否被调用？
• 通信层：是SMBus还是纯I2C？寄存器访问方式是否正确？

任何一个环节出错，都会导致“驱动加载成功，设备无法识别”的诡异现象。

接下来，我们就以一颗典型的I2C温度传感器为例，一步步构建完整的驱动与通信链路。

核心组件速览：你需要掌握哪些关键技术？

记住一句话：设备树定义“谁在那儿”，驱动定义“怎么跟它说话”。

协议本质：I2C到底做了什么？

I2C的本质是一个主从式串行总线，所有通信由主设备发起。典型流程如下：

1. 主机发送Start 条件（SCL高时SDA下降）
2. 发送从机地址 + 写标志（例如 0x76 << 1 | 0 → 0xEC）
3. 从机回应ACK
4. 主机发送寄存器地址
5. 再次Start（或直接切换方向）→ 发送地址+读标志
6. 从机返回数据字节
7. 主机发送NACK并结束于Stop 条件

这种“先写地址再读数据”的模式被称为Combined Transfer，也是我们在Linux中常用i2c_smbus_read_byte_data()的原因。

⚠️ 常见误区：以为I2C可以直接“读某个寄存器”。实际上必须通过两次传输完成——第一次告诉设备“我要读哪个寄存器”，第二次才是真正读取内容。

Linux I2C架构：谁负责什么？

Linux将I2C拆分为三个核心对象：

1.i2c_adapter—— 物理控制器抽象

代表SoC上的I2C控制器（如i2c-0、i2c-1）。每个adapter对应一个物理总线，由平台代码初始化。

2.i2c_client—— 具体挂在总线上的设备

比如地址为0x50的EEPROM、0x76的BME280。它是在设备树解析后动态创建的。

3.i2c_driver—— 驱动程序本体

包含probe、remove、id_table、of_match_table等字段。只有当.of_match_table.compatible与设备树中的compatible匹配时，probe()才会被调用。

它们的关系可以用一句话概括：

adapter管理物理总线，client代表具体设备，driver提供操作逻辑；当client和driver匹配成功，probe函数启动，驱动才算真正“活”了。

实战第一步：设备树怎么写才有效？

很多问题出在设备树。下面是一个正确的I2C设备节点定义：

&i2c1 { status = "okay"; clock-frequency = <100000>; /* 100kHz标准模式 */ temp_sensor@48 { compatible = "ti,tmp102"; reg = <0x48>; }; };

几个关键细节：

• status = "okay"必须打开，否则整个I2C控制器不启用。
• clock-frequency推荐设置，避免默认过高导致通信失败。
• reg = <0x48>是7位地址，不能写成0x90（那是8位格式的写地址）。
• compatible必须与驱动中的.of_match_table完全一致。

如果你不确定设备是否被正确识别，可以用这条命令扫描：

i2cdetect -y 1

输出类似：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 00: -- -- -- -- -- -- -- -- 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 40: -- -- -- -- -- -- -- -- 48 -- -- -- -- -- -- -- 50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- ...

只要看到0x48位置有字符，说明物理连接正常！

实战第二步：编写I2C驱动骨架

现在开始写驱动。我们将实现一个针对TMP102温度传感器的最小化驱动，并通过sysfs暴露温度值。

1. 定义设备匹配表

#include <linux/module.h> #include <linux/i2c.h> #include <linux/of.h> static const struct of_device_id tmp102_of_match[] = { { .compatible = "ti,tmp102" }, { } }; MODULE_DEVICE_TABLE(of, tmp102_of_match);

注意：这里的ti,tmp102必须与设备树中的compatible严格一致。

2. 实现probe函数（灵魂所在）

static int tmp102_probe(struct i2c_client *client) { // 简单验证设备是否存在 int chip_id = i2c_smbus_read_byte_data(client, 0x0F); // TMP102 ID寄存器 if (chip_id != 0x30) { dev_err(&client->dev, "Invalid chip ID: 0x%02X\n", chip_id); return -ENODEV; } dev_info(&client->dev, "TMP102 detected, starting...\n"); // TODO: 创建sysfs属性 return 0; } static int tmp102_remove(struct i2c_client *client) { dev_info(&client->dev, "Device removed.\n"); return 0; }

✅ 小技巧：在probe中读取芯片ID是一种极佳的防误匹配手段。即使地址冲突，也能提前发现。

3. 注册驱动结构体

static struct i2c_driver tmp102_driver = { .driver = { .name = "tmp102", .of_match_table = of_match_ptr(tmp102_of_match), }, .probe = tmp102_probe, .remove = tmp102_remove, }; module_i2c_driver(tmp102_driver); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("TMP102 I2C Temperature Sensor Driver"); MODULE_LICENSE("GPL");

使用module_i2c_driver()宏可以自动处理模块加载/卸载，比手动写module_init/module_exit更简洁安全。

实战第三步：让用户空间能读到数据

有两种主流方式让应用程序访问内核数据：sysfs属性和字符设备ioctl。我们先看更轻量的sysfs方案。

方法一：通过sysfs导出温度值

目标：让用户执行cat /sys/bus/i2c/devices/1-0048/temp_input就能得到当前温度（单位：毫摄氏度）

步骤1：定义show回调函数

static ssize_t temp_input_show(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf) { struct i2c_client *client = to_i2c_client(dev); int raw; short temp_reg; raw = i2c_smbus_read_word_data(client, 0x00); // 读取转换结果寄存器 if (raw < 0) return raw; // TMP102数据是左对齐的12位补码，需右移4位 temp_reg = swab16(raw); // 小端转换 temp_reg >>= 4; // 温度 = 寄存器值 × 0.0625°C = × 62.5m°C return sprintf(buf, "%d\n", temp_reg * 62500); } static DEVICE_ATTR_RO(temp_input);

步骤2：在probe中创建属性文件

// 在tmp102_probe()中添加： error = device_create_file(&client->dev, &dev_attr_temp_input); if (error) { dev_err(&client->dev, "Failed to create sysfs file\n"); return error; }

验证效果

重启系统或插入模块后：

cat /sys/bus/i2c/devices/1-0048/temp_input # 输出：256250 （即 25.625°C）

搞定！无需额外权限，root或普通用户均可读取。

💡 提示：路径/sys/bus/i2c/devices/1-0048/中的1是adapter编号，0048是设备地址（补全为4位十六进制）。

方法二：使用字符设备+ioctl进行精细控制

如果需要频繁读写多个寄存器、更新配置、甚至下载固件，sysfs就不够用了。这时应采用字符设备方式。

步骤1：定义私有数据结构

struct tmp102_data { struct i2c_client *client; struct cdev cdev; struct class *class; dev_t devno; };

步骤2：实现ioctl命令

#define TMP102_IOC_MAGIC 't' #define TMP102_READ_REG _IOR(TMP102_IOC_MAGIC, 0, __u8) #define TMP102_WRITE_REG _IOW(TMP102_IOC_MAGIC, 1, struct reg_pair) struct reg_pair { __u8 reg; __u8 val; }; static long tmp102_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { struct tmp102_data *data = file->private_data; void __user *argp = (__user void __force *)arg; struct reg_pair rp; int ret; switch (cmd) { case TMP102_READ_REG: if (copy_from_user(&rp.reg, argp, sizeof(rp.reg))) return -EFAULT; ret = i2c_smbus_read_byte_data(data->client, rp.reg); if (ret < 0) return ret; rp.val = (__u8)ret; if (copy_to_user(argp, &rp.val, sizeof(rp.val))) return -EFAULT; break; case TMP102_WRITE_REG: if (copy_from_user(&rp, argp, sizeof(rp))) return -EFAULT; ret = i2c_smbus_write_byte_data(data->client, rp.reg, rp.val); if (ret < 0) return ret; break; default: return -ENOTTY; } return 0; }

步骤3：注册字符设备（略去详细alloc/cdev_add过程）

最终用户空间可通过以下方式操作：

int fd = open("/dev/tmp102", O_RDWR); __u8 reg = 0x01; // 配置寄存器 ioctl(fd, TMP102_READ_REG, &reg); printf("Config: 0x%02X\n", reg);

这种方式灵活性极高，适合调试工具或高级控制需求。

常见坑点与调试秘籍

❌ 问题1：i2cdetect扫不到设备

排查清单：
- [ ] 上电了吗？VCC是否有3.3V？
- [ ] SDA/SCL是否接反？是否有上拉电阻（一般1.8k~4.7kΩ）？
- [ ] 设备地址是否正确？注意有些手册给的是8位地址（需右移一位）
- [ ] I2C控制器clock-frequency是否超出了设备支持范围？

❌ 问题2：probe函数没被调用

检查重点：
- [ ] 设备树compatible和驱动.of_match_table是否拼写一致？
- [ ] 驱动是否真的加载了？lsmod | grep your_driver
- [ ] 是否忘记MODULE_DEVICE_TABLE(of, ...)？没有这句，设备树匹配会失效！

❌ 问题3：读出来总是0xFF或0x00

可能原因：
- [ ] 设备未初始化，处于关机状态
- [ ] 寄存器地址偏移错误（注意有些设备高位有效）
- [ ] 协议差异：某些设备只支持I2C块读，不支持SMBus byte data

解决方案：
尝试软复位并延时：

i2c_smbus_write_byte_data(client, 0x01, 0x80); // 复位位 msleep(10);

查阅数据手册确认上电时序和初始状态。

最佳实践总结：高手是怎么做的？

1. 永远在probe里验证芯片ID
   防止地址冲突或错误匹配，提升鲁棒性。

2. 优先使用sysfs做状态展示
   对于只读参数（温度、状态码），sysfs足够且轻便。

3. 复杂交互走ioctl
   支持命令组合、批量操作、权限控制。

4. 合理设置日志级别
   开发阶段用dev_dbg()输出详细信息，发布时关闭DEBUG打印。

5. 添加电源管理回调（可选）

#ifdef CONFIG_PM_SLEEP static int tmp102_suspend(struct device *dev) { // 进入低功耗模式 return 0; } #endif

6. 使用静态分析工具
   如sparse检查类型错误，checkpatch.pl规范编码风格。

用户空间怎么用？给个完整例子

假设我们已经通过sysfs暴露了temp_input，那么用户程序可以这样读取：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> float read_temperature(const char *path) { FILE *fp = fopen(path, "r"); long val = 0; if (!fp) { perror("fopen"); return -1000.0f; } fscanf(fp, "%ld", &val); fclose(fp); return val / 1000.0f; // 转为摄氏度 } int main() { float temp = read_temperature("/sys/bus/i2c/devices/1-0048/temp_input"); if (temp > -999.0f) { printf("✅ 当前温度: %.3f °C\n", temp); } else { fprintf(stderr, "❌ 读取失败，请检查设备状态\n"); return 1; } return 0; }

编译运行即可看到实时温度输出。

结语：你真正掌握的是“系统思维”

写I2C驱动，表面上是在写几行i2c_smbus_read/write，实则考验的是你对整个Linux设备模型的理解：

• 怎么用设备树描述硬件？
• 如何利用框架实现解耦？
• 怎样设计接口让应用层高效使用？
• 出问题时如何逐层定位？

当你能从“信号完整性”一路追踪到“用户空间fopen失败”，你就不再是只会抄代码的开发者，而是具备系统级调试能力的工程师。

而这一切，都始于那两个小小的引脚：SDA 和 SCL。

如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。