从零写OS内核｜348：I2C 总线——嵌入式系统的血管

摘要：I2C 是嵌入式系统中最常见的低速总线，只要两根线就能挂大量设备——传感器、EEPROM、RTC、触摸屏控制器……本篇文章从 I2C 协议原理、主从架构、到 Linux i2c-tools 实战，带你掌握这条”系统血管”的用法。

1. I2C 协议：为什么两根线能挂那么多设备

1.1 物理层：开漏 + 上拉

I2C 只有两根信号线：

SCL（Serial Clock）：时钟线
SDA（Serial Data）：数据线

这两根线都是开漏输出 + 上拉电阻，意味着：

Bash

       VCC ──────[上拉 4.7KΩ] ──── SDA/SCL
                            │
         ┌──────────────────┘
         ↓
    ┌────┴────┐
    │  Driver │ (开漏：只能拉低，或Hi-Z高阻态)
    └─────────┘

开漏的好处是：任何一个设备都可以把线拉低，但没有人能强制拉高。这样避免了多主设备竞争时的高电平冲突。即使主设备数量不确定，也能安全共享总线。

1.2 地址：7 位还是 10 位？

I2C 从设备地址是 7 位（或者 10 位扩展模式）。7 位地址意味着理论上最多挂 128 个设备，但地址 0000 000 保留，所以实际最多 112 个。

Bash

   7位地址格式：
   [A6][A5][A4][A3][A2][A1][A0][R/W]

   示例：MPU6050 地址 = 0x68 (110 1000)
   写操作：0xD0 (0x68 &lt;&lt; 1 | 0)
   读操作：0xD1 (0x68 &lt;&lt; 1 | 1)

注意地址是左移 1 位后加 R/W 位，所以很多芯片手册会写”0x68″但实际读写地址是 0xD0/0xD1。

1.3 开始/停止条件

Bash

SCL=高 + SDA=下降沿 → START
SCL=高 + SDA=上升沿 → STOP

     START
      ↓
  ┌──────┐          ┌──────────┐
  │      │          │          │
SDA ──    ───────   ──────────  ←  STOP
        └─────────────────────┘

1.4 传输格式：每个字节后跟 ACK

Bash

    Master → Slave          Master ← Slave
    [START][ADDR+W][ACK][DATA][ACK][DATA][ACK]...[STOP]
                        ↑
                  Slave 可以拉低 SDA (ACK)
                  如果 NACK，Master 停止发送

每个字节（8 bits）后，接收方必须 pull SDA low 表示 ACK（除非是最后一个字节或 NACK 情况）。

1.5 I2C 读写时序图

写一个字节：

Bash

Master        SCL   SDA
              ───   ───
START:        ──┐  ──┐
               │ └──┘   (SDA fall while SCL high)
ADDR+W:        │  D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
               │ ────────────────────────────
ACK:          ─┘  (slave pull Sda low)
DATA:          │  D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
               │ ────────────────────────────
ACK:          ─┘  (slave pull Sda low)
STOP:          │  (SDA rise while SCL high)
               └─────────────────────────────

读一个字节：

Bash

Master        SCL   SDA
              ───   ───
START:        ──┐  ──┐
ADDR+R:        │  D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
               │ ────────────────────────────
ACK:          ─┘  (master pull Sda low during ACK)
DATA:          │  D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
               │◄───────────────────────────
ACK:          ─┘  (master pull Sda low)
STOP:          │  (SDA rise while SCL high)
               └─────────────────────────────

2. Linux i2c-tools：快速调试神器

2.1 安装与查看总线

Bash

$ sudo apt install i2c-tools -y

$ ls /dev/i2c-*
/dev/i2c-0  /dev/i2c-1  /dev/i2c-2

$ i2cdetect -l
i2c-1   i2c        808622C1:00                    I2C adapter
i2c-2   i2c        808622C1:01                    I2C adapter
i2c-0   i2c        SMBus PIIX4 adapter at 9080   SMBus adapter

2.2 扫描总线上的设备

Bash

$ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:                         -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 4b --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

地址 0x68（MPU6050）和 0x4b（光照传感器）在总线上。

2.3 读写寄存器

MPU6050 是 6 轴加速度计 + 陀螺仪，最常用的 I2C 传感器之一：

Bash

# 读取 MPU6050 WHO_AM_I 寄存器 (0x75)
$ sudo i2cget -y 1 0x68 0x75
0x68
# 返回 0x68，说明芯片正常（这就是它的默认 WHO_AM_I 值）

# 读取加速度原始值（ACCEL_XOUT_H = 0x3B, ACCEL_XOUT_L = 0x3C）
$ sudo i2cget -y 1 0x68 0x3B w
0x1e00  # 大端序，返回 0x001e（X轴加速度高字节）

# 写入：配置采样率分频器 (SMPLRT_DIV = 0x19)
$ sudo i2cset -y 1 0x68 0x19 0x07

# 读取多个寄存器（burst read）
$ sudo i2cdump -y 1 0x68 0x3B i
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00: 1e 00 3d 00 00 00 80 3f 00 00 00 00 00 00 00 00
...

2.4 用 python py-smbus 读写

Python

import smbus2

bus = smbus2.SMBus(1)
addr = 0x68

# 读取 WHO_AM_I
who = bus.read_byte_data(addr, 0x75)
print(f&quot;MPU6050 WHO_AM_I = 0x{who:02x}&quot;)

# 读取加速度 X/Y/Z
accel_x = bus.read_word_data(addr, 0x3B)  # ACCEL_XOUT_H
print(f&quot;Accel X = {accel_x}&quot;)

# 配置 MPU6050
bus.write_byte_data(addr, 0x19, 0x07)  # SMPLRT_DIV = 7
bus.write_byte_data(addr, 0x1B, 0x00)  # GYRO_CONFIG = 0 (250 deg/s)

bus.close()

3. Linux 内核 I2C 子系统

3.1 架构分层

Bash

用户空间（i2c-tools, 应用程序）
    ↓ I2C ioctl / SMBUS
内核 I2C Core (i2c-core.c)
    ↓
I2C Adapter Driver (比如 i2c-piix4, i2c-i801, i2c-i2c-imx)
    ↓
硬件（南桥 PIIX4 / I2C 控制器 / SoC I2C）

I2C Core 负责注册 I2CAdapter、I2CDriver，维护 device 列表和 driver 列表，实现 device-driver match。

3.2 注册 I2C 设备驱动

// 在内核中注册一个 I2C 驱动
static int mysensor_probe(struct i2c_client *client,
                          const struct i2c_device_id *id) {
    dev_info(&amp;client-&gt;dev, &quot;MPU6050 probed at %sn&quot;, client-&gt;adapter-&gt;name);
    return 0;
}

static int mysensor_remove(struct i2c_client *client) {
    return 0;
}

static const struct i2c_device_id mpu6050_id[] = {
    { &quot;mpu6050&quot;, 0 },
    { },
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, mpu5xxx_id);

static struct i2c_driver mpu6050_driver = {
    .driver = {
        .name = &quot;mpu6050&quot;,
    },
    .probe = mysensor_probe,
    .remove = mysensor_remove,
    .id_table = mpu6050_id,
};

module_i2c_driver(mpu6050_driver);

3.3 在 DTS 中声明 I2C 设备

// 设备树示例
&amp;i2c1 {
    status = &quot;okay&quot;;
    mpu6050@68 {
        compatible = &quot;invensense,mpu6050&quot;;
        reg = &lt;0x68&gt;;
    };
};

4. I2C 常见问题与调试

4.1 总线拉死（SCL 或 SDA 一直低）

如果某个从设备发送了数据但没发送 ACK，主设备可能卡在等待 ACK 状态。解决方法：

Bash

# 尝试用 i2cdetect 会看到 &quot;UU&quot;（地址被占用）
$ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:                         -- -- -- -- -- -- -- -- --
...
60: -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- -- --
                        ↑
                    68 显示为 UU 表示设备正在被某个驱动使用

强制复位 I2C 总线（手动 clock 9 次让从设备释放 SDA）：

Bash

# 使用 i2cdetect 的 -f 强制扫描，跳过 ACK 检测
$ sudo i2cdetect -f -y 1

4.2 速率问题

Bash

# 查看 I2C 总线速率
$ cat /sys/bus/i2c/devices/i2c-1/speed
400000   # 400KHz (Fast Mode)

# 或者查看当前配置
$ sudo cat /sys/kernel/debug/i2c/i2c-1/state
i2c-1: polling 100 kHz

可以在加载驱动时设置速率：i2c_bus=1,400000 或在设备树中配置 clock-frequency = <400000>;。

5. wandos 对比：简化的 I2C 模拟

wandos 目前的 I2C 实现非常简化：没有完整的中断驱动 I2C 控制器驱动，也没有设备树支持。wandos 的外设模型中，I2C 总线通过 GPIO bit-banging 实现（软件模拟 I2C 时序），主要用来读取 MPU6050 等传感器数据。wandos 未来的方向是实现标准的 Linux I2C 子系统接口，使传感器驱动可以在 wandos 和 Linux 之间共享代码。

6. I2C vs SPI：选哪个？

特性	I2C	SPI
线数	2 (SDA+SCL)	4+ (MOSI/MISO/CLK/CS)
速率	100K/400K/3.4M	几十 MHz
地址	7/10 位（总线共享）	每个设备独立 CS
协议	有 ACK/NACK	无协议层（纯数据流）
多主	支持	不支持
适合	传感器、EEPROM、RTC	大容量 Flash、显示屏、高速率

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💡 本文属于「从零写OS内核」系列，欢迎回顾：

篇 347：《显示器——从 Framebuffer 到 GPU》

篇 346：《键盘——按键是怎么变成字符的》

篇 345：《USB 协议》

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作者：内核栈 | 原创出品
本文永久链接：https://kernelstack.dev/348-i2c

从零写OS内核｜348：I2C 总线——嵌入式系统的血管

从零写OS内核｜348：I2C 总线——嵌入式系统的血管

1. I2C 协议：为什么两根线能挂那么多设备

1.1 物理层：开漏 + 上拉

1.2 地址：7 位还是 10 位？

1.3 开始/停止条件

1.4 传输格式：每个字节后跟 ACK

1.5 I2C 读写时序图

2. Linux i2c-tools：快速调试神器

2.1 安装与查看总线

2.2 扫描总线上的设备

2.3 读写寄存器

2.4 用 python py-smbus 读写

3. Linux 内核 I2C 子系统

3.1 架构分层

3.2 注册 I2C 设备驱动

3.3 在 DTS 中声明 I2C 设备

4. I2C 常见问题与调试

4.1 总线拉死（SCL 或 SDA 一直低）

4.2 速率问题

5. wandos 对比：简化的 I2C 模拟

6. I2C vs SPI：选哪个？

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从零写OS内核｜348：I2C 总线——嵌入式系统的血管

从零写OS内核｜348：I2C 总线——嵌入式系统的血管

1. I2C 协议：为什么两根线能挂那么多设备

1.1 物理层：开漏 + 上拉

1.2 地址：7 位还是 10 位？

1.3 开始/停止条件

1.4 传输格式：每个字节后跟 ACK

1.5 I2C 读写时序图

2. Linux i2c-tools：快速调试神器

2.1 安装与查看总线

2.2 扫描总线上的设备

2.3 读写寄存器

2.4 用 python py-smbus 读写

3. Linux 内核 I2C 子系统

3.1 架构分层

3.2 注册 I2C 设备驱动

3.3 在 DTS 中声明 I2C 设备

4. I2C 常见问题与调试

4.1 总线拉死（SCL 或 SDA 一直低）

4.2 速率问题

5. wandos 对比：简化的 I2C 模拟

6. I2C vs SPI：选哪个？

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