一、I²C 设备的硬件框架
I²C 硬件架构如下：
- 主控芯片内部：集成 I²C 控制器（可能有多个，如 I²C1、I²C2），负责生成 I²C 时序（时钟、数据）；
- 外部 I²C 设备：通过两条线（SDA 数据线、SCL 时钟线）与主控连接，如存储芯片 AT24C02、电容屏等；
- 硬件特点：I²C 总线拓扑简单，仅需两根线即可挂载多个 I²C 设备（通过设备地址区分）。
二、I²C 驱动的分层架构
I²C 驱动分为总线驱动（控制器驱动） 与设备驱动两层，各司其职：
1. 分层职责划分
| | |
| 定义设备操作逻辑（如 AT24C02 的擦除、写入命令序列），决定 “发什么数据” | |
| 操作 I²C 控制器寄存器，实现数据收发时序，负责 “怎么发数据” | |
2. 数据流向示例（以 AT24C02 写操作为例）
- 应用层：调用
open/write访问/dev/at24c02设备节点； - 设备驱动：响应
write请求，根据 AT24C02 手册，生成 “擦除命令（如发送 A、B 数据）→ 烧写命令（如发送 C 数据）→ 实际写入数据（如 123）” 的命令序列； - 总线驱动：设备驱动调用 I²C 核心层接口（如
i2c_transfer），总线驱动接收请求后，操作 I²C 控制器寄存器，生成对应的 SDA/SCL 时序，将命令序列发送给 AT24C02； - 硬件层：AT24C02 接收时序信号，执行擦除、写入操作。
3. 关键优势
- 解耦：设备驱动无需关注 I²C 控制器差异（如 IMX6ULL 与 STM32MP157 的寄存器不同），只需调用统一接口（如
i2c_transfer）； - 复用：同一总线驱动可支持多种 I²C 设备（如 AT24C02、电容屏共用 IMX6ULL 的 I²C 控制器驱动）。
三、与单片机 I²C 操作的类比
Linux I²C 驱动的分层思想，与单片机的 I²C HAL 库设计逻辑一致：
- 单片机层面
- 底层 HAL 库：提供
HAL_I2C_Master_Transmit等函数，操作 I²C 控制器时序（对应 Linux 的总线驱动）； - 设备逻辑：开发者需根据设备手册，在 HAL 库之上编写命令序列（如发送 “0x00 + 命令码” 配置屏幕），对应 Linux 的设备驱动；
- 核心共性：无论 Linux 还是单片机，“设备操作逻辑（发什么）” 与 “硬件时序实现（怎么发）” 始终分离，仅职责划分的粒度不同。
四、I²C 总线的设备驱动匹配流程
I²C 设备驱动完全遵循总线设备驱动模型，仅将 “平台总线” 替换为 “I²C 总线”，具体流程如下：
1. I²C 总线与核心结构体
- I²C 总线：
i2c_bus_type结构体，同样是 “虚拟总线”，内部维护两个链表： - 设备链表：挂载
i2c_client结构体（代表 I²C 设备）； - 驱动链表：挂载
i2c_driver结构体（代表 I²C 驱动）；
i2c_client（I²C 设备）adapter：指向所属的 I²C 控制器（i2c_adapter）；addr：I²C 设备地址（如 AT24C02 的 0x50）；
i2c_driver（I²C 驱动）id_tableprobeof_match_table
2. 设备与驱动的匹配过程
- 设备树解析：内核解析设备节点（如at24c02），生成
i2c_client结构体，其中adapter指向i2c1控制器，addr设为 0x50； - 驱动注册：通过
i2c_add_driver注册i2c_driver，驱动加入 I²C 总线的驱动链表； - 匹配触发：I²C 总线的
match函数（i2c_device_match）遍历设备与驱动链表，优先通过of_match_table（设备树compatible属性）匹配； - probe 函数调用：匹配成功后，驱动的
probe函数被调用，传入i2c_client结构体（后续读写需用到该结构体）。
五、I²C 驱动的实现框架（基于总线设备驱动模型）
I²C 总线作为 Linux 中的 “真实总线”，其驱动实现遵循总线设备驱动模型，步骤如下：
1. 步骤 1：定义 I²C 设备信息
通过设备树节点描述 I²C 设备的硬件参数（如设备地址、挂载的 I²C 总线编号、引脚配置等），示例：
&i2c1 {
at24c02: at24c02@50 {
compatible = "atmel,at24c02";
reg = x50>; // AT24C02的I²C设备地址
};
};
（也可通过 C 文件静态定义struct i2c_board_info，但设备树是当前主流方式）
设备树中的 at24c02 节点会被内核解析为struct i2c_client结构体，该结构体是 I²C 设备在 kernel 中的 “硬件抽象”，关键字段如下：
structi2c_client {
unsignedshort addr; // I²C设备地址（来自设备树的reg属性）
char name[I2C_NAME_SIZE]; // 设备名（非必需，用于调试）
structi2c_adapter *adapter;// 指向挂载的I²C适配器（即I²C控制器）
structdevicedev;// 设备模型核心结构体
};
adapter：关联到对应的 I²C 控制器驱动（总线驱动），adapter中包含i2c_algorithm结构体，该结构体封装了 I²C 数据收发函数（如master_xfer），是设备驱动与总线驱动交互的核心接口。
2. 步骤 2：实现 I²C 设备驱动
编写struct i2c_driver结构体，包含设备匹配规则与初始化逻辑：
id_tableprobe函数
- 构造
struct file_operations结构体（实现open/read/write等接口）；
- 驱动注册 / 注销：在驱动入口函数调用
i2c_add_driver注册驱动，出口函数调用i2c_del_driver注销。
3. 步骤 3：设备驱动中的 I²C 数据收发
在read/write接口中，通过 I²C 核心层函数（如i2c_transfer）与总线驱动交互，实现数据收发：
- 无需直接操作 I²C 控制器寄存器，只需按设备手册组织命令序列，调用统一接口即可；
i2c_transfer函数
// 功能：发送n个i2c\_msg消息
// 参数：client->adapter（I²C控制器）、msg（消息数组）、n（消息个数）
// 返回值：成功返回消息个数，失败返回负数
inti2c_transfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int n);
六、 I2C框架总结
1. 设备树与 I²C 总线关联
在 I²C 总线的设备树节点下，添加子节点（如at24c02），内核会自动将该节点转换为 i2c_client 设备并挂载到 I²C 总线；开发者需编写 AT24C02 对应的 i2c_driver 驱动程序，当 i2c_client 与 i2c_driver 匹配后，驱动的 probe 函数被调用。
2. probe 函数的核心工作
在 probe 函数中，需完成字符设备的注册与设备节点创建，具体三步：
- 调用
register_chrdev注册字符设备（需指定主设备号、设备名）； - 调用
device_create在该类下创建设备节点。
3. remove 函数的反向操作
probe 函数中创建的资源，需在 remove 函数中反向释放：
- 调用
unregister_chrdev注销字符设备（需传入主设备号与设备名）。
4. 设备驱动中的 I²C 数据收发
在file_operations结构体的read/write等接口中，通过 I²C 核心层函数（如i2c_transfer）与总线驱动交互，实现数据收发：
