《驱动开发硬核特训 · 专题篇》：深入理解 I2C 子系统

关键词：i2c_adapter、i2c_client、i2c_driver、i2c-core、platform_driver、设备树匹配、驱动模型

本文目标：通过实际代码一步步讲清楚 I2C 子系统的结构与运行机制，让你不再混淆 platform_driver 与 i2c_driver 的职责。

🧩 一、本文问题导入

很多人在学 Linux 驱动开发时经常会问：

“I2C 子系统到底是 platform_driver 模型，还是总线设备驱动模型？”

这个问题本质在于：

• 你看到的 SoC 上的 I2C 控制器（比如 i2c@30a20000）是通过 platform_driver 注册的。
• 而 I2C 外设（如 EEPROM、PMIC）却通过 i2c_driver 注册。

所以本文只做一件事：

基于真实源码，把整个 I2C 子系统的结构和逻辑梳理清楚。

🧭 二、I2C 子系统架构概览（核心数据结构）

I2C 子系统的本质，是内核为 I2C 总线提供的一个子系统框架，基于 Linux 的总线设备驱动模型，主要涉及这三类角色：

🚩控制器（adapter）负责提供访问总线的能力，
🚩驱动（driver）通过匹配 i2c_client 来完成初始化。

🔩 三、从代码看：如何注册一个 I2C 控制器（i2c_adapter）

控制器驱动一般是 platform_driver，其 probe() 函数中会注册 i2c_adapter。

🔍 示例：i.MX8MP 的 I2C 控制器驱动 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，映射寄存器、时钟等
    i2c_imx = devm_kzalloc(...);
    i2c_imx->base = devm_ioremap_resource(...);

    // 2. 初始化适配器（i2c_adapter）
    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, "IMX I2C", sizeof(adapter->name));

    // 3. 注册 i2c_adapter
    i2c_add_numbered_adapter(adapter);
    return 0;
}

✅ 一旦 i2c_adapter 注册成功，I2C 核心就认为系统具备一条 I2C 总线。

🔌 四、从代码看：设备是怎么挂在 I2C 总线上的？

这是由设备树决定的，I2C 从设备（如 EEPROM）一般长这样：

i2c@30a20000 {
    status = "okay";

    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;  // I2C 地址
        pagesize = <16>;
    };
};

关键机制：

1. 内核在识别到 i2c@xxx 是一个已注册的 i2c_adapter 后；
2. 会自动为子节点（eeprom@50）创建一个 i2c_client；
3. 调用 of_i2c_register_devices() 完成挂载。

✅ 每个子节点都被封装为 struct i2c_client，表示总线上挂的一个 I2C 从设备。

🧠 五、设备驱动是怎么匹配设备的？（i2c_driver）

我们看一个典型的 I2C 驱动注册过程：drivers/misc/eeprom/at24.c

static const struct i2c_device_id at24_ids[] = {
    { "24c02", 0 },
    ...
};

static const struct of_device_id at24_of_match[] = {
    { .compatible = "atmel,24c02" },
    ...
};

static struct i2c_driver at24_driver = {
    .driver = {
        .name = "at24",
        .of_match_table = of_match_ptr(at24_of_match),
    },
    .probe    = at24_probe,
    .remove   = at24_remove,
    .id_table = at24_ids,
};

module_i2c_driver(at24_driver);  // 注册驱动

🧷 关键点：

• 注册的是 i2c_driver，不是 platform_driver。
• 匹配的依据是 compatible + of_device_id。
• 匹配成功后调用 at24_probe()，拿到 i2c_client，从而可以进行 i2c_transfer() 通信。

⚙ 六、驱动内如何访问设备？（client + transfer）

以 at24.c 驱动为例：

static int at24_read(void *priv, unsigned int offset, void *buf, size_t count)
{
    struct i2c_client *client = priv;
    struct i2c_msg msgs[2];

    // 1. 写 offset 地址
    msgs[0].addr  = client->addr;
    msgs[0].flags = 0;
    msgs[0].buf   = &offset;
    msgs[0].len   = 1;

    // 2. 读数据
    msgs[1].addr  = client->addr;
    msgs[1].flags = I2C_M_RD;
    msgs[1].buf   = buf;
    msgs[1].len   = count;

    return i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);
}

✅ i2c_transfer() 就是 I2C 核心提供的 API，适配器驱动通过 .master_xfer() 回调实现底层通信。

🔚 七、小结与答疑

📌 附图：I2C 子系统结构图

设备树                驱动注册
┌────────────┐      ┌─────────────────────┐
│ i2c@xxxx   │──┐   │ i2c_driver: at24    │
│   └──@50   │  │   │ └─ probe()          │
└────────────┘  │   └─────────────────────┘
                ↓
        of_i2c_register_devices()
                ↓
        i2c_new_device / client
                ↓
        驱动匹配并调用 probe

✅ 总结一句话

控制器驱动用 platform_driver，挂载设备驱动用 i2c_driver，I2C 子系统的核心在于 client 与 driver 的匹配过程。

如果你需要配合 at24 驱动的完整实战样例，或者想了解 regmap 如何结合 I2C 使用，也可以继续深入。如果需要，我可以出一个《I2C 子系统实战篇》。

是否需要我继续整理一篇基于 i2c-tools 测试或 regmap+i2c 的完整实战篇？