2. I2C控制器驱动架构：Linux/RTOS下的I2C子系统、设备树配置、驱动框架

好，我们进入第二章。这一章我打算把I2C控制器的驱动架构彻底讲透。不管你用的是Linux还是RTOS，底层逻辑其实是相通的。说白了，就是「怎么让CPU里的I2C硬件模块，乖乖听你使唤」。

我个人习惯，拿到一个新平台的I2C控制器，第一件事不是写代码，而是先看它的寄存器手册和设备树。为什么？因为驱动框架再花哨，最终落地的还是那几个控制寄存器。你想想看，如果连时钟分频、从机地址、中断标志位在哪都不知道，代码写得再漂亮也是空中楼阁。

2.1 Linux I2C子系统：三层架构

Linux的I2C子系统，我把它拆成三层来看：

• I2C核心层：提供统一的API，比如i2c_transfer()、i2c_add_adapter()。这部分你基本不用动，内核已经写好了。
• I2C控制器驱动层：这是我们要写的。负责操作具体的I2C硬件寄存器，实现master_xfer()回调。
• I2C设备驱动层：挂载在I2C总线上的外设驱动，比如eeprom、传感器。它们通过核心层提供的接口，跟控制器驱动打交道。

这三层的关系，我画了张图，你看一眼就明白了。

这张图里，最核心的其实是控制器驱动层。你写的master_xfer()函数，就是整个I2C通信的「发动机」。我在项目中遇到过，有人把设备驱动写得花里胡哨，结果master_xfer里一个时序错误，整条总线都卡死。嗯，调试起来那叫一个酸爽。

2.2 设备树配置：把硬件信息告诉内核

在Linux下，设备树是描述硬件信息的「户口本」。I2C控制器的设备树节点，通常长这样：

i2c1: i2c@40012000 {
    compatible = "st,stm32f4-i2c";
    reg = <0x40012000 0x400>;
    interrupts = <31 0>;
    clocks = <&rcc 0 43>;
    clock-frequency = <100000>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    status = "disabled";

    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;
        pagesize = <8>;
    };
};

这里有几个关键字段，我列个表，你对照着看：

2.3 驱动框架：从probe到master_xfer

一个标准的I2C控制器驱动，核心流程是这样的：

1. probe()：解析设备树，获取资源（寄存器地址、中断号、时钟）。
2. 初始化硬件：设置时钟分频、配置GPIO为I2C功能、使能控制器。
3. 注册i2c_adapter：调用i2c_add_adapter()，把控制器注册到核心层。
4. 实现master_xfer()：这是最关键的，负责发送起始信号、地址、数据、停止信号。
5. 中断处理：处理传输完成、仲裁丢失、NACK等中断事件。

我写一个简化的master_xfer框架，你看下核心逻辑：

static int my_i2c_master_xfer(struct i2c_adapter *adap,
                              struct i2c_msg *msgs, int num)
{
    struct my_i2c_dev *i2c_dev = i2c_get_adapdata(adap);
    int i, ret = 0;

    for (i = 0; i < num; i++) {
        // 1. 发送起始信号
        i2c_dev_write_reg(i2c_dev, I2C_CR1, START_BIT);

        // 2. 发送从机地址 + 读写位
        u8 addr = (msgs[i].addr << 1) | (msgs[i].flags & I2C_M_RD);
        i2c_dev_write_reg(i2c_dev, I2C_DR, addr);

        // 3. 等待ACK
        if (!wait_for_ack(i2c_dev)) {
            ret = -ENXIO;
            goto out;
        }

        // 4. 读写数据
        if (msgs[i].flags & I2C_M_RD) {
            // 读操作
            for (int j = 0; j < msgs[i].len; j++) {
                msgs[i].buf[j] = i2c_dev_read_reg(i2c_dev, I2C_DR);
            }
        } else {
            // 写操作
            for (int j = 0; j < msgs[i].len; j++) {
                i2c_dev_write_reg(i2c_dev, I2C_DR, msgs[i].buf[j]);
                wait_for_ack(i2c_dev);
            }
        }
    }

out:
    // 5. 发送停止信号
    i2c_dev_write_reg(i2c_dev, I2C_CR1, STOP_BIT);
    return ret ? ret : num;
}

2.4 RTOS下的I2C驱动：轻量级实现

在RTOS里，没有Linux那么复杂的设备树和分层架构。但核心思想是一样的：操作寄存器，实现时序。我通常的做法是：

• 写一个i2c_handle_t结构体，封装寄存器基地址、锁、配置参数。
• 提供i2c_master_send()和i2c_master_recv()两个API。
• 用信号量做互斥访问，防止多任务同时操作I2C总线。

RTOS下的驱动，说白了就是「去掉中间层，直接撸寄存器」。但要注意，中断处理和任务同步的配合，比Linux更考验功底。这部分我们后面章节会专门讲。

2.5 调试要点：三板斧

最后，我分享几个调试I2C控制器驱动的经验：

1. 先看时钟：用示波器量SCL引脚，看有没有时钟信号。没有？检查时钟配置和GPIO复用。
2. 再看数据：发送一个简单的写操作，抓SDA波形，看地址和数据对不对。
3. 最后看中断：如果轮询模式能通，中断模式不通，大概率是中断标志位没清或者中断号配错了。