I2C 驱动

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常用的低速串行总线，广泛用于连接 Sensor、EEPROM、RTC 等外设。

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什么是 I2C

I2C 总线只有两根线：

• SCL（Serial Clock）— 时钟线，由主机产生
• SDA（Serial Data）— 数据线，双向传输

特点：

• 半双工、同步串行
• 支持多主机（常用为单主机）
• 7 位或 10 位地址
• 标准模式 100KHz，快速模式 400KHz，高速模式 3.4MHz

  主控 ── SCL ──┬──┬──┬── 从设备1  从设备2  从设备3
              │  │  │
  主控 ── SDA ──┴──┴──┴──  地址0x1A  地址0x50  地址0x68

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I2C 通信协议

起始条件 (START)

SCL 为高电平时，SDA 从高变低。

SDA: ────┐
        └───
SCL: ───────
        ───

停止条件 (STOP)

SCL 为高电平时，SDA 从低变高。

SDA:    ┌───
     ───┘
SCL: ───────
         ───

数据传输

• SCL 高电平时，SDA 必须稳定（数据有效）
• SCL 低电平时，SDA 可以变化
• 每字节 8 位，MSB 在前
• 每字节后跟一个 ACK/NACK 位（第 9 个时钟）

ACK / NACK

• ACK：接收方在第 9 个时钟拉低 SDA
• NACK：接收方在第 9 个时钟保持 SDA 高电平

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Linux I2C 子系统架构

用户空间 (i2c-dev / sysfs)
    ↓
I2C 核心 (i2c-core)
    ↓
I2C 总线驱动 (i2c-bus driver)  ←→  I2C 设备驱动 (i2c-client driver)
    ↓                                    ↓
I2C 控制器硬件                      Sensor / EEPROM 等外设

重要概念

概念	说明
i2c_adapter	I2C 控制器（总线）的抽象
i2c_driver	I2C 设备驱动（如 Sensor 驱动）
i2c_client	I2C 设备实例（挂在总线上的具体设备）
i2c_algorithm	总线读写算法（位操作或硬件控制器）

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用户空间 I2C 操作

i2c-tools 工具

列出 I2C 总线

i2cdetect -l

扫描总线上的设备

i2cdetect -y 1

读取寄存器（8位地址，8位数据）

i2cget -y 1 0x50 0x10

读取寄存器（16位地址）

i2cget -y 1 0x1a 0x00 w

写入寄存器

i2cset -y 1 0x50 0x10 0xff

dump 整个寄存器空间

i2cdump -y 1 0x50

C 语言操作 I2C

i2c_read_write.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/i2c-dev.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);

    // 设置从机地址
    ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x50);

    // 写寄存器：寄存器地址 + 数据
    unsigned char buf[2] = {0x10, 0xff};
    write(fd, buf, 2);

    // 读寄存器：先写寄存器地址，再读数据
    unsigned char reg = 0x10;
    write(fd, &reg, 1);
    unsigned char data;
    read(fd, &data, 1);
    printf("0x%02x\n", data);

    close(fd);
    return 0;
}

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I2C 设备驱动示例

设备树配置

i2c 设备树示例

&i2c1 {
    status = "okay";
    clock-frequency = <400000>; // 400KHz

    sensor@1a {
        compatible = "vendor,sensor-xxx";
        reg = <0x1a>;
        // ... 其他属性
    };
};

驱动基本框架

static const struct i2c_device_id sensor_id[] = {
    { "sensor-xxx", 0 },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, sensor_id);

static const struct of_device_id sensor_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,sensor-xxx" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, sensor_of_match);

static struct i2c_driver sensor_driver = {
    .driver = {
        .name = "sensor-xxx",
        .of_match_table = sensor_of_match,
    },
    .probe = sensor_probe,
    .remove = sensor_remove,
    .id_table = sensor_id,
};

module_i2c_driver(sensor_driver);

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常见问题

1. 设备地址扫描不到

• 设备未上电
• SDA/SCL 接线错误
• I2C 总线时钟过高（设备不支持快速模式）
• 上拉电阻缺失或阻值不对

2. 读写失败返回 EIO

• 设备不 ACK
• 寄存器地址格式不对（8位 vs 16位）
• 设备处于休眠状态

3. 时钟频率问题

• 标准模式：100 KHz
• 快速模式：400 KHz
• 高速模式：3.4 MHz
• 超高速模式：5 MHz

Sensor I2C 通常用 100KHz 或 400KHz。如果设备不稳定，先降到 100KHz 测试。

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相关实验

• #021 Camera Sensor I2C 通信验证

相关知识

• GPIO 子系统
• 设备树
• Sensor 原理