前面幾篇文章，我們已經(jīng)簡(jiǎn)單聊過(guò) I2C 通信機(jī)制、I2C 為什么要上拉，以及 I2C 和 SMBus 的關(guān)系。

到這里，如果只是理解 I2C 協(xié)議本身，基本已經(jīng)夠入門了。

但真正進(jìn)入 Linux 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)，又會(huì)遇到一個(gè)新問(wèn)題：

Linux 內(nèi)核里的 I2C 子系統(tǒng)到底是怎么組織的？

比如我們經(jīng)常會(huì)看到這些東西：

/dev/i2c-2i2c_transfer()i2c_smbus_read_byte_data()structi2c_clientstructi2c_driverstructi2c_adapterdrivers/i2c/busses/i2c-rk3x.cdrivers/i2c/i2c-dev.c

剛開(kāi)始看時(shí)，確實(shí)容易一頭霧水。

這些東西到底誰(shuí)管誰(shuí)？
應(yīng)用層怎么訪問(wèn) I2C？
設(shè)備驅(qū)動(dòng)怎么和設(shè)備樹(shù)匹配？
最后又是誰(shuí)真正去控制 SDA / SCL 產(chǎn)生時(shí)序？

這篇文章就以 RK3576 平臺(tái)為例，從整體架構(gòu)角度，先把 Linux I2C 子系統(tǒng)的大框架捋一遍。

不追求一上來(lái)逐行啃源碼，先建立索引。后面真正看驅(qū)動(dòng)時(shí)，知道每一層大概在干什么，就不會(huì)迷路。

1. 先說(shuō)結(jié)論

Linux I2C 子系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單理解成四層：

如果從一次訪問(wèn)鏈路來(lái)看，大概就是：

APP/ i2ctools  ↓i2c-dev.c 或具體 I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)  ↓i2c-core  ↓I2C 控制器驅(qū)動(dòng)  ↓RK3576 I2C 控制器  ↓SDA / SCL  ↓外設(shè)

數(shù)據(jù)返回時(shí)，再沿著這條鏈路反向返回。

所以 Linux I2C 子系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)思想，其實(shí)就是一句話：

把“控制器硬件操作”和“外設(shè)功能邏輯”拆開(kāi)，讓不同平臺(tái)、不同設(shè)備都能復(fù)用同一套框架。

這也是 Linux 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)非常典型的設(shè)計(jì)方式。

2. 第1層：I2C 控制器驅(qū)動(dòng)層

先從最底層說(shuō)起。

I2C 控制器驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)對(duì)接芯片內(nèi)部真實(shí)存在的 I2C 控制器。

以 RK3576 為例，SoC 內(nèi)部會(huì)有多路 I2C 控制器，比如 I2C0、I2C1、I2C2 等。

這些控制器最終負(fù)責(zé)控制 SDA / SCL，在總線上產(chǎn)生 Start、Stop、ACK、地址、數(shù)據(jù)等時(shí)序。

RK 平臺(tái)相關(guān)驅(qū)動(dòng)路徑一般類似：

kernel-6.1/drivers/i2c/busses/i2c-rk3x.c

這一層可以理解成：

I2C子系統(tǒng)和 RK3576 I2C 硬件之間的“翻譯官”。上層只會(huì)告訴它：我要給 0x38 這個(gè)設(shè)備發(fā)一段數(shù)據(jù)；我要從 0x5d 這個(gè)設(shè)備讀幾個(gè)字節(jié)；我要完成一組 i2c_msg 傳輸。

而控制器驅(qū)動(dòng)要做的，就是把這些抽象請(qǐng)求，轉(zhuǎn)換成硬件寄存器操作，最終在 SDA / SCL 上產(chǎn)生真實(shí)波形。

這一層主要負(fù)責(zé)：

[ ]初始化 I2C 控制器；[ ]配置時(shí)鐘和通信速率；[ ]處理中斷或 DMA；[ ]實(shí)現(xiàn) master_xfer 傳輸函數(shù)；[ ]處理 ACK 失敗、超時(shí)、仲裁丟失等異常；[ ]操作硬件寄存器產(chǎn)生 I2C 總線時(shí)序。

比如在 RK3576 上，最終真正和硬件寄存器打交道的，就是這一層。

3. 第2層：I2C 核心層 i2c-core

控制器驅(qū)動(dòng)之上，就是 I2C 子系統(tǒng)的核心層。

源碼路徑一般在：

kernel-6.1/drivers/i2c/i2c-core.ckernel-6.1/drivers/i2c/i2c-core-base.c

這一層可以理解為 I2C 子系統(tǒng)的“調(diào)度中心”。

它不直接關(guān)心你下面是 RK3576、全志 T527、STM32，還是其他平臺(tái)。

它關(guān)心的是：

系統(tǒng)里有哪些 I2C 控制器？有哪些 I2C 設(shè)備？有哪些 I2C 驅(qū)動(dòng)？設(shè)備和驅(qū)動(dòng)怎么匹配？上層要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該調(diào)用哪個(gè)控制器？

所以 i2c-core 的作用非常關(guān)鍵。

它向上提供統(tǒng)一接口，向下調(diào)用具體控制器驅(qū)動(dòng)。

常見(jiàn)接口包括：

i2c_transfer()i2c_smbus_xfer()i2c_master_send()i2c_master_recv()

對(duì)于設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，不需要知道底層 I2C 控制器寄存器怎么配置，只需要調(diào)用這些通用接口即可。

比如：

ret= i2c_transfer(client->adapter, msgs, num);

至于這個(gè)adapter最后對(duì)應(yīng) RK3576 的哪個(gè) I2C 控制器，就由 i2c-core 和控制器驅(qū)動(dòng)去處理。

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4. I2C 子系統(tǒng)里的三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體

看 I2C 子系統(tǒng)，繞不開(kāi)三個(gè)結(jié)構(gòu)體。它們就是整個(gè)框架的骨架。

（1）struct i2c_adapter

i2c_adapter表示一個(gè) I2C 控制器。

比如 RK3576 的 I2C2 控制器，在內(nèi)核里就會(huì)注冊(cè)成一個(gè)i2c_adapter。

可以簡(jiǎn)單理解為：

一個(gè) i2c_adapter = 一條 I2C 總線 / 一個(gè) I2C 控制器

它里面會(huì)包含：

控制器編號(hào)；控制器名稱；支持的功能；傳輸函數(shù)；所屬設(shè)備信息。

最關(guān)鍵的是傳輸函數(shù)，比如master_xfer。

上層最終調(diào)用i2c_transfer()時(shí)，最后會(huì)走到這個(gè) adapter 對(duì)應(yīng)的master_xfer，再進(jìn)入具體平臺(tái)的控制器驅(qū)動(dòng)。

所以，i2c_adapter代表的是“誰(shuí)來(lái)發(fā)起 I2C 傳輸”。

（2）struct i2c_client

i2c_client表示一個(gè) I2C 從設(shè)備。

比如 I2C2 總線上掛了一個(gè)地址為0x5d的 GT911 觸摸芯片，那么這個(gè) GT911 在內(nèi)核里就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)i2c_client。

可以簡(jiǎn)單理解為：

一個(gè) i2c_client = 一個(gè)掛在 I2C 總線上的外設(shè)

它里面通常包含：

設(shè)備地址；所屬 i2c_adapter；設(shè)備名稱；設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息；驅(qū)動(dòng)私有數(shù)據(jù)。

驅(qū)動(dòng)里經(jīng)常會(huì)看到：

staticintxxx_probe(structi2c_client *client)

這個(gè)client就代表當(dāng)前匹配到的 I2C 設(shè)備。

驅(qū)動(dòng)后續(xù)讀寫寄存器時(shí)，也通常是通過(guò)這個(gè)client找到設(shè)備地址和所屬 adapter。

（3）struct i2c_driver

i2c_driver表示一個(gè) I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

比如 GT911 觸摸驅(qū)動(dòng)、RTC 驅(qū)動(dòng)、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)，都可以注冊(cè)為一個(gè)i2c_driver。

它里面通常包含：

probe 函數(shù)；remove函數(shù)；設(shè)備匹配表；驅(qū)動(dòng)名稱；電源管理回調(diào)。

當(dāng)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)匹配成功后，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)的probe()函數(shù)。

所以這三個(gè)結(jié)構(gòu)體可以這樣理解：

i2c_adapter：代表 I2C 控制器i2c_client ：代表 I2C 外設(shè)i2c_driver ：代表 I2C 外設(shè)驅(qū)動(dòng)

這三個(gè)概念搞清楚，I2C 子系統(tǒng)的大框架基本就立起來(lái)了。

5. 第三層：I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，就是針對(duì)具體 I2C 外設(shè)寫的驅(qū)動(dòng)。

比如：

觸摸芯片驅(qū)動(dòng)：gt911RTC 驅(qū)動(dòng)：rtc-pcf8563.c溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)：aht20電源管理芯片驅(qū)動(dòng)：pmic

這一層的職責(zé)不是直接控制 SDA / SCL，而是實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備功能。

比如一個(gè)觸摸驅(qū)動(dòng)，它關(guān)心的是：

怎么讀取觸摸坐標(biāo)；怎么初始化芯片；怎么處理中斷；怎么上報(bào)input事件；怎么管理電源。

它不需要關(guān)心 RK3576 的 I2C 控制器寄存器怎么配置。

它只需要通過(guò) i2c-core 提供的接口訪問(wèn)設(shè)備寄存器，比如：

i2c_smbus_read_byte_data()i2c_smbus_write_byte_data()i2c_transfer()

這樣帶來(lái)的好處很明顯：

同一個(gè) I2C 外設(shè)驅(qū)動(dòng)，可以盡量復(fù)用在不同 SoC 平臺(tái)上。

比如某個(gè) I2C 觸摸芯片驅(qū)動(dòng)，在 RK 平臺(tái)能用，在其他 ARM 平臺(tái)上也可能能用。只要底層 I2C 控制器驅(qū)動(dòng)正常，設(shè)備樹(shù)配置正確，上層設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常不用關(guān)心底層硬件差異。

這就是 Linux 子系統(tǒng)分層帶來(lái)的好處。

6. 第四層：用戶空間接口層 i2c-dev

除了寫內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)，Linux 還提供了一個(gè)用戶空間訪問(wèn) I2C 的方式。

對(duì)應(yīng)文件是：

kernel-6.1/drivers/i2c/i2c-dev.c

這個(gè)文件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，會(huì)為每個(gè) I2C adapter 創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

/dev/i2c-0/dev/i2c-1/dev/i2c-2...

比如 RK3576 的 I2C2，用戶空間可能就能看到：

/dev/i2c-2

有了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶空間程序或者 i2c-tools 就可以直接訪問(wèn) I2C 總線。

常用工具包括：

i2cdetecti2cgeti2cseti2cdump

比如掃描 I2C2 總線：

i2cdetect-y2

讀取某個(gè)設(shè)備寄存器：

i2cget-y20x380x00

這里的調(diào)用鏈路大概是：

i2cget ↓/dev/i2c-2 ↓i2c-dev.c ↓i2c-core ↓i2c-rk3x.c ↓RK3576 I2C2 控制器 ↓I2C 外設(shè)

所以i2c-dev.c的作用可以理解為：

給用戶空間開(kāi)了一個(gè)訪問(wèn) I2C 總線的調(diào)試入口。

它非常適合調(diào)試階段驗(yàn)證硬件。

比如我們想確認(rèn)設(shè)備地址對(duì)不對(duì)、外設(shè)有沒(méi)有 ACK、某個(gè)寄存器能不能讀到，就可以先用 i2c-tools 測(cè)一下。

但如果是正式產(chǎn)品中的復(fù)雜設(shè)備功能，通常還是建議寫內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，而不是長(zhǎng)期依賴用戶空間直接操作 I2C。

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7. 設(shè)備和驅(qū)動(dòng)是怎么匹配的？

理解 I2C 子系統(tǒng)，除了看數(shù)據(jù)傳輸，還要理解設(shè)備和驅(qū)動(dòng)怎么綁定。

在設(shè)備樹(shù)里，我們可能會(huì)這樣寫：

這里表示：

AHT20掛在 I2C2 總線上；設(shè)備地址是 0x38；compatible 是"aosong,aht20"。

內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，會(huì)解析設(shè)備樹(shù)，在 I2C2 這個(gè) adapter 下創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的i2c_client。

如果內(nèi)核中有一個(gè) I2C 驅(qū)動(dòng)的匹配表里包含：

{ .compatible="aosong,aht20"}

那么設(shè)備和驅(qū)動(dòng)就能匹配成功，隨后調(diào)用驅(qū)動(dòng)的probe()函數(shù)。

簡(jiǎn)化流程如下：

設(shè)備樹(shù)描述 I2C 外設(shè)    ↓內(nèi)核創(chuàng)建 i2c_client    ↓I2C 驅(qū)動(dòng)注冊(cè) i2c_driver    ↓i2c-core 完成匹配    ↓調(diào)用驅(qū)動(dòng) probe()    ↓驅(qū)動(dòng)初始化外設(shè)

這就是 Linux “總線-設(shè)備-驅(qū)動(dòng)”模型在 I2C 子系統(tǒng)里的體現(xiàn)。

8. 一次完整讀取鏈路

下面以 RK3576 通過(guò) I2C2 讀取 AHT20 溫濕度傳感器為例，簡(jiǎn)單看一次完整鏈路。

假設(shè)用戶空間執(zhí)行：

i2cget-y20x380x00

大致流程如下：

1.用戶空間執(zhí)行 i2cget；2.i2cget 打開(kāi) /dev/i2c-2；3.通過(guò) ioctl 設(shè)置從設(shè)備地址 0x38；4.通過(guò) read/write 或 I2C_RDWR 發(fā)起訪問(wèn)；5. i2c-dev.c 接收用戶請(qǐng)求；6. i2c-dev.c 調(diào)用 i2c-core 的傳輸接口；7. i2c-core 封裝 i2c_msg，調(diào)用 i2c_transfer；8. i2c_transfer 找到 I2C2 對(duì)應(yīng)的 i2c_adapter；9. 調(diào)用 adapter 的 master_xfer；10.進(jìn)入 RK 平臺(tái) i2c-rk3x.c；11.rk3x_i2c_xfer 操作硬件寄存器；12.RK3576 I2C2 控制器在 SDA/SCL 上產(chǎn)生時(shí)序；13.AHT20 返回?cái)?shù)據(jù)；14.數(shù)據(jù)沿原路徑返回給 i2cget。

這條鏈路看起來(lái)長(zhǎng)，但理解之后就很清晰。

一句話總結(jié)就是：

用戶層負(fù)責(zé)發(fā)起請(qǐng)求，i2c-dev 負(fù)責(zé)接入用戶空間，i2c-core 負(fù)責(zé)調(diào)度，控制器驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)干硬件活，外設(shè)負(fù)責(zé)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

9. 總結(jié)

Linux I2C 子系統(tǒng)看起來(lái)復(fù)雜，但拆開(kāi)后其實(shí)就是幾層分工。

i2c_adapter：代表 I2C 控制器；i2c_client ：代表 I2C 外設(shè)；i2c_driver ：代表 I2C 設(shè)備驅(qū)動(dòng)；i2c-core  ：負(fù)責(zé)把它們組織起來(lái)；i2c-dev  ：負(fù)責(zé)給用戶空間提供調(diào)試入口。

剛開(kāi)始學(xué)習(xí)時(shí)，不建議直接扎進(jìn)源碼里逐行看。

更建議先建立這條主線：

設(shè)備樹(shù)描述外設(shè)  ↓內(nèi)核創(chuàng)建 i2c_client  ↓驅(qū)動(dòng)注冊(cè) i2c_driver  ↓i2c-core 完成匹配并調(diào)用 probe  ↓設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用 i2c_transfer / smbus API  ↓控制器驅(qū)動(dòng) master_xfer 產(chǎn)生硬件時(shí)序

理解了這條線，再去看i2c-rk3x.c、i2c-core-base.c、i2c-dev.c，就不會(huì)像剛開(kāi)始那樣滿屏函數(shù)亂飛了。

當(dāng)然，本文只是先建立 I2C 子系統(tǒng)的整體認(rèn)知，具體源碼細(xì)節(jié)后面再慢慢拆。

（完）

下期可以繼續(xù)聊：硬件 I2C 和軟件 I2C 誰(shuí)更坑？

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