1. 课程导学与环境准备：I2C协议基础回顾、Linux I2C子系统架构概览、开发板选型与交叉编译环境搭建
各位同学，欢迎来到《Linux驱动移植I2C传感器数据采集项目实战》的第一章。
做嵌入式Linux驱动开发，说白了就是让内核认识你的硬件，并且把数据乖乖交到用户空间。I2C传感器是这里面最常见的一类——温度、湿度、气压、加速度计，几乎每个物联网项目都离不开它们。
我个人习惯，在动手写代码之前，先把三件事理清楚：协议怎么跑、内核怎么管、板子怎么搭。这三件事搞定了，后面移植驱动就是水到渠成的事。
1.1 I2C协议基础回顾
I2C协议，1982年由Philips（现在的NXP）发明。你想想看，一个40多年前的协议，到现在还在大量使用，说明它确实够简单、够实用。
I2C只有两根线：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。所有设备都挂在这两根线上，通过地址区分谁跟谁说话。
核心要点：I2C是主从结构，总线上的主设备（通常是SoC）发起通信，从设备（传感器）响应。每个从设备有一个7位或10位地址，同一总线上不能有重复地址。
一次完整的I2C传输包含以下几个阶段：
- 起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低
- 发送从设备地址+读写位：7位地址+1位读写标志（0写1读）
- 等待应答：从设备拉低SDA表示ACK
- 数据传输：每8位数据后跟一个ACK/NACK
- 停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高
我在项目中遇到过一个问题：某个温湿度传感器偶尔读不到数据，示波器一抓发现是起始条件时序不对。嗯，硬件上的小偏差，软件上就得靠重试机制来兜底。
| 参数 | 标准模式 | 快速模式 | 高速模式 |
|---|---|---|---|
| 最大时钟频率 | 100 kHz | 400 kHz | 3.4 MHz |
| 最大总线电容 | 400 pF | 400 pF | 100 pF |
| 上拉电阻典型值 | 4.7 kΩ | 2.2 kΩ | — |
避坑指南：我曾经在调试一块板子时，I2C总线一直卡在忙状态。查了半天，发现是上拉电阻焊错了——用了10kΩ，总线上升沿太慢。换成4.7kΩ后一切正常。所以，硬件上拉电阻别随便选，手册上写的值是有道理的。
1.2 Linux I2C子系统架构概览
Linux内核的I2C子系统，分三层。我习惯从下往上理解：
- I2C控制器驱动：最底层，直接操作SoC的I2C硬件寄存器。比如STM32MP157的I2C控制器驱动，负责收发数据、处理中断。
- I2C核心层：中间层，提供统一的API和数据结构。它管理总线、设备、驱动的注册与匹配。
- I2C设备驱动：最上层，我们写的就是这一层。比如BMP280气压传感器驱动，通过核心层提供的接口跟控制器驱动打交道。
说白了，你写一个I2C传感器驱动，就是实现一个i2c_driver结构体，注册到核心层。核心层帮你搞定跟硬件通信的细节。
注意：很多初学者搞不清i2c_adapter和i2c_client的区别。简单记：adapter是控制器（硬件），client是从设备（传感器）。一个adapter可以挂多个client。
下面这张图，是我画的本课程知识体系结构，你可以先有个整体印象：
1.3 开发板选型与交叉编译环境搭建
选开发板，我建议你关注三点：芯片资料是否齐全、社区支持是否活跃、I2C外设是否丰富。
本课程选用STM32MP157作为主控芯片，搭配米尔科技MYD-YA157C开发板。为什么选它？
- 双核Cortex-A7 + Cortex-M4，跑Linux毫无压力
- 芯片手册和参考手册公开，不用签NDA
- 有至少4个I2C控制器，足够挂各种传感器
- 社区资料丰富，遇到问题容易搜到答案
传感器方面，我们选BMP280（气压+温度）和SHT30（湿度+温度）。这两个芯片都是I2C接口，数据手册清晰，驱动移植难度适中，非常适合练手。
硬件清单：
- MYD-YA157C开发板 × 1
- BMP280模块 × 1（I2C地址 0x76 或 0x77）
- SHT30模块 × 1（I2C地址 0x44 或 0x45）
- 杜邦线若干
- USB转TTL串口模块 × 1（用于调试）
1.4 交叉编译环境搭建
交叉编译，说白了就是在你的PC上编译出能在ARM开发板上运行的程序。PC是x86架构，开发板是ARM架构，编译器得知道目标平台是谁。
我推荐用Linaro GCC工具链，版本选gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf。这个版本稳定，跟内核5.4配合得很好。
搭建步骤：
- 下载工具链：从Linaro官网或镜像站下载
- 解压到目录：比如
/opt/toolchains/ - 设置环境变量：把工具链的bin目录加到
PATH里 - 验证安装：运行
arm-none-linux-gnueabihf-gcc --version
# 下载工具链（以Ubuntu 20.04为例）
wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/9.2-2019.12/arm-linux-gnueabihf/gcc-linaro-9.2.1-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz
# 解压
sudo tar -xvf gcc-linaro-9.2.1-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz -C /opt/toolchains/
# 设置环境变量（建议写到 ~/.bashrc）
export PATH=$PATH:/opt/toolchains/gcc-linaro-9.2.1-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin
# 验证
arm-linux-gnueabihf-gcc --version
个人经验：我习惯把工具链路径写到~/.bashrc里，而不是每次手动export。另外，建议用which arm-linux-gnueabihf-gcc确认一下路径对不对。有一次我装了两个版本的工具链，结果编译时用的是旧版，折腾了半天才发现。
内核源码方面，我们使用Linux 5.4.31，这是STM32MP157官方BSP对应的内核版本。下载后配置交叉编译：
# 设置环境变量
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
# 配置内核（使用默认配置）
make stm32mp1_defconfig
# 编译内核
make -j4 uImage LOADADDR=0xC2000040
# 编译设备树
make -j4 dtbs
注意：编译内核时，LOADADDR参数必须跟你的U-Boot配置一致。我曾经因为忘了设这个参数，导致内核无法启动，卡在"Starting kernel ..."那里。嗯，这种低级错误犯过一次就不会再犯了。