驱动开发硬核特训 · Day 31：理解 I2C 子系统的驱动模型与实例剖析

📚 训练目标：

• 从驱动模型出发，掌握 I2C 子系统的核心结构；
• 分析控制器与从设备的注册流程；
• 结合 AT24 EEPROM 驱动源码与设备树实例，理解 i2c_client 与 i2c_driver 的交互；
• 配套高质量练习题巩固理解。

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一、I2C 子系统的本质：一个总线驱动子系统

在 Linux 内核中，I2C 是一个标准的总线型子系统（bus_type），不是 platform 设备模型。

I2C 子系统结构如下：

组件	结构体	描述
I2C 总线	bus_type i2c_bus_type	内核为 I2C 提供的驱动模型
控制器（主机）	i2c_adapter	所在 SoC 上的控制器，由 platform_driver 注册
从设备	i2c_client	掛载在总线上的外设设备（如 EEPROM、Codec）
驱动程序	i2c_driver	针对某类设备的驱动程序

控制器驱动：使用 platform_driver 绑定 SoC 资源，注册 i2c_adapter。

设备驱动：使用 i2c_driver 注册，等待与 i2c_client 匹配。

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二、源码分析：控制器是如何注册进来的？

以 NXP i.MX8MP 的 I2C 控制器为例，驱动路径：drivers/i2c/busses/i2c-imx.c。

static int i2c_imx_probe(struct platform_device *pdev)
{struct i2c_adapter *adapter;struct imx_i2c_struct *i2c_imx;// 1. 分配结构体i2c_imx = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*i2c_imx), GFP_KERNEL);// 2. 获取寄存器资源、时钟、中断i2c_imx->base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);i2c_imx->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, NULL);i2c_imx->irq = platform_get_irq(pdev, 0);// 3. 初始化 i2c_adapter 结构体adapter = &i2c_imx->adapter;adapter->owner = THIS_MODULE;adapter->algo  = &i2c_imx_algo;adapter->dev.parent = &pdev->dev;adapter->nr = pdev->id;strlcpy(adapter->name, "i.MX I2C Adapter", sizeof(adapter->name));// 4. 注册适配器到内核return i2c_add_numbered_adapter(adapter);
}

该驱动注册的是 platform_driver，但其核心工作是初始化并注册 i2c_adapter。

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三、设备是如何通过设备树挂载上来的？

设备树示例：

&i2c1 {status = "okay";eeprom@50 {compatible = "atmel,24c02";reg = <0x50>;pagesize = <16>;};
};

设备树加载过程：

1. 控制器节点 i2c1 被 platform_driver 匹配；
2. probe 中调用 i2c_add_adapter()，注册一条总线；
3. 子节点 eeprom@50 被 of_i2c_register_devices() 扫描；
4. 创建 i2c_client 对象（地址为 0x50）；
5. 内核查找合适的 i2c_driver 进行绑定。

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四、i2c_driver 是如何匹配和驱动设备的？

以 AT24 EEPROM 驱动为例，路径为 drivers/misc/eeprom/at24.c。

1. 定义驱动匹配表和结构体

static const struct i2c_device_id at24_ids[] = {{ "24c02", 0 }, { /* more */ }, {}
};static const struct of_device_id at24_of_match[] = {{ .compatible = "atmel,24c02" },{ /* more */ }, {}
};static struct i2c_driver at24_driver = {.driver = {.name = "at24",.of_match_table = at24_of_match,},.probe = at24_probe,.remove = at24_remove,.id_table = at24_ids,
};module_i2c_driver(at24_driver);

2. 驱动入口：probe 函数

static int at24_probe(struct i2c_client *client,const struct i2c_device_id *id)
{// 打印设备信息dev_info(&client->dev, "AT24 EEPROM detected at address 0x%x\n", client->addr);// 挂载到 MTD、NVMEM 或字符设备（不同内核版本机制不同）return devm_nvmem_register(...);
}

驱动完成初始化后，用户可通过 sysfs 或 i2c-tools 访问 EEPROM 内容。

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五、如何访问设备？—— 使用 i2c_transfer

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap,struct i2c_msg *msgs, int num);

示例：读 EEPROM

u8 addr = 0x00;
u8 buf[16];struct i2c_msg msgs[2] = {{.addr = client->addr,.flags = 0,.buf = &addr,.len = 1,},{.addr = client->addr,.flags = I2C_M_RD,.buf = buf,.len = 16,}
};i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);

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六、练习题目（含答案）

💡 题目 1：以下哪个结构体代表 I2C 总线控制器？

A. struct i2c_driver
B. struct i2c_client
C. struct i2c_adapter
D. struct i2c_msg

✅ 答案：C

i2c_adapter 表示控制器，负责发起读写。

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💡 题目 2：哪一个函数用于驱动注册设备驱动（如 AT24）？

A. platform_driver_register()
B. i2c_add_adapter()
C. i2c_register_driver()
D. of_register_platform_driver()

✅ 答案：C

i2c_register_driver() 会将 i2c_driver 注册到 i2c_bus_type 下，由内核匹配。

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💡 题目 3：设备树中 reg = <0x50>; 表示的含义是什么？

A. 设备在系统内的 IRQ 编号
B. I2C 控制器的总线编号
C. 设备的物理地址
D. 设备在 I2C 总线上的从地址

✅ 答案：D

在 I2C 总线中，reg 对应从设备地址（如 0x50 即为 EEPROM 地址）。

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七、实战建议与延伸学习

推荐进一步学习内容：

• 使用 i2c-tools 进行测试：i2cdetect, i2cget, i2cset
• 理解 regmap + i2c 的结合方式（如 codec 驱动）
• 在 I2C 多路复用器（i2c-mux）场景下的子设备建模

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八、结语

Linux 的 I2C 子系统是一个典型的“总线-设备-驱动”三段式模型。
控制器使用 platform_driver 驱动，而子设备由 i2c_driver 管理，匹配过程由 I2C 核心完成。

通过本文，我们不仅从结构上掌握了子系统的组织方式，也通过实际代码洞察了其内部运行机制，并借助练习巩固了要点。

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