【Linux 驱动开发】I2C 子系统详解 + LM75 温度传感器驱动实战（misc 杂项设备）

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一、Linux I2C 子系统整体架构（对应思维导图）

这张图是本节课 I2C 驱动完整分层结构，I2C 在内核分为四层，自上而下：

1. 用户层：应用程序，open/read 系统调用，访问/dev/lm75_misc设备节点
2. 杂项设备层 (misc)：封装字符设备，自动创建设备节点，简化驱动开发
3. I2C 核心层 (i2c-core)：i2c_driver、i2c_client、设备树匹配、i2c_msg消息封装，负责总线管理、驱动和设备匹配
4. I2C 适配器层（总线驱动）：I2C 硬件控制器驱动（SoC 内部 I2C 外设），i2c_adapter+algo硬件操作方法，最终通过master_xfer完成 I2C 硬件收发
5. 硬件层：I2C 物理总线 + 挂载的 I2C 从设备（LM75 传感器，I2C 从地址 0x48）

I2C 通讯时序（图下方 4 种传输时序）

I2C 读寄存器标准流程（LM75 读取温度就是先写寄存器地址，重复起始再读数据，对应时序 2）

1. 发送从机地址 + 写位，发送寄存器地址 0x00（温度寄存器）
2. 重复起始信号
3. 发送从机地址 + 读位
4. 读取 2 字节温度数据，主机发送 NACK + 停止位

4 种 I2C 传输模式：

1. 只写 1 字节
2. 写寄存器地址，然后读 N 字节（本次 LM75 使用这种）
3. 连续写多字节
4. 连续读写多字节

核心结构体对应关系

• i2c_client：描述I2C 从设备（LM75），保存从机地址、所属适配器
• i2c_driver：描述I2C 设备驱动，包含 probe、remove、设备匹配表
• i2c_adapter：I2C 主机适配器，代表 SOC 的 I2C 控制器
• i2c_msg：I2C 消息，一条消息代表一次收发，可以标记读 / 写

二、驱动源码：i2c_lm75_drv.c（内核模块）

#include <linux/fs.h> #include <linux/module.h> #include <linux/init.h> #include <linux/i2c.h> #include <linux/miscdevice.h> #include <asm/uaccess.h> static struct i2c_client *lm75_client = NULL; // read回调函数：应用调用read触发 static ssize_t lm75_read(struct file *fp, char __user *puser, size_t n, loff_t *off) { int ret; unsigned char tmpbuff[2] = {0}; struct i2c_msg sendmsg; struct i2c_msg recvmsg; // 步骤1：I2C写，发送要读取的寄存器地址0x00（LM75温度寄存器） sendmsg.addr = lm75_client->addr; tmpbuff[0] = 0x00; sendmsg.buf = tmpbuff; sendmsg.len = 1; ret = lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &sendmsg, 1); if(ret != 1){ pr_info("i2c write reg error!\n"); return -1; } // 步骤2：I2C读，读取2字节温度 recvmsg.addr = lm75_client->addr; recvmsg.flags |= I2C_M_RD; //标记为读消息 recvmsg.buf = tmpbuff; recvmsg.len = 2; ret = lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &recvmsg, 1); if(ret != 1){ pr_info("i2c read data error!\n"); return -1; } // 内核空间拷贝数据到用户空间 ret = copy_to_user(puser, tmpbuff, sizeof(tmpbuff)); if (ret) { pr_info("copy_to_user failed\n"); return -1; } return sizeof(tmpbuff); } // 文件操作集合 static struct file_operations fops = { .read = lm75_read, }; // 杂项设备，自动生成/dev/lm75_misc static struct miscdevice lm75_misc = { .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = "lm75_misc", .fops = &fops, }; // probe函数：驱动和设备匹配成功，自动调用 static int lm75_probe(struct i2c_client *pclient, const struct i2c_device_id *pdev) { int ret; lm75_client = pclient; //保存i2c_client ret = misc_register(&lm75_misc); pr_info("lm75 probe ok\n"); return 0; } // remove：设备卸载时调用 static int lm75_remove(struct i2c_client *pclient) { misc_deregister(&lm75_misc); pr_info("lm75 remove\n"); return 0; } // 设备树匹配表 static struct of_device_id lm75_of_match_tables[] = { {.compatible = "pute,putelm75"}, {}, }; // 传统id匹配表 static struct i2c_device_id lm75_id_tables[] = { {.name = "putelm75"}, {}, }; // i2c驱动结构体 struct i2c_driver lm75_drv = { .probe = lm75_probe, .remove = lm75_remove, .driver = { .name = "lm75_drv", .owner = THIS_MODULE, .of_match_table = lm75_of_match_tables, }, .id_table = lm75_id_tables, }; //模块入口出口 static int __init lm75_drv_init(void) { return i2c_add_driver(&lm75_drv); } static void __exit lm75_drv_exit(void) { i2c_del_driver(&lm75_drv); } module_init(lm75_drv_init); module_exit(lm75_drv_exit); MODULE_LICENSE("GPL");

驱动逐段解析

1. 全局 i2c_client 指针：probe 保存从设备实例，read 函数用来发起 I2C 传输。
2. lm75_read：用户态 read 系统调用的内核回调
   • 构造两条i2c_msg消息，先写寄存器地址，再读 2 字节温度，这是 I2C 读取寄存器的标准方式
   • master_xfer：I2C 适配器底层硬件传输函数，直接操作 I2C 控制器收发数据
   • copy_to_user：内核缓冲区数据拷贝到用户空间缓冲区（内核态和用户态内存隔离，必须用这个函数）
3. miscdevice杂项设备：
   • 不用手动注册 cdev、手动创建设备节点；misc_register自动在/dev生成lm75_misc
   • 简化字符设备驱动开发，适合简单外设
4. probe/remove：
   • probe 触发时机：内核扫描设备树，当 dts 里面compatible字符串和驱动of_match_table匹配，就调用 probe
   • probe 中注册 misc 设备，创建设备节点；remove 卸载设备
5. 匹配表：
   • of_device_id：设备树 DTS 匹配（现代嵌入式平台主流方式）
   • i2c_device_id：旧版非设备树板级信息匹配

DTS 设备树片段（必须添加）

&i2c1 { lm75@48 { compatible = "pute,putelm75"; reg = <0x48>; /* LM75硬件I2C从机地址，硬件决定 */ }; };

reg：I2C 从设备地址；compatible 字符串必须和驱动 of_match_table 完全一致，否则匹配失败，probe 不会执行。

三、应用测试代码 i2c_lm75_app.c 用户态程序

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> int main(void) { int fd = 0; unsigned char tmpbuff[2] = {0}; fd = open("/dev/lm75_misc", O_RDWR); if (-1 == fd) { perror("fail to open"); return -1; } while (1) { read(fd, tmpbuff, sizeof(tmpbuff)); //LM75计算公式 float temp = ((tmpbuff[0] << 8 | tmpbuff[1]) >> 5) * 0.125; printf("temp = %.2lf ℃\n", temp); sleep(1); } close(fd); return 0; }

应用代码解析

1. open("/dev/lm75_misc")打开 misc 设备节点，建立用户态与内核驱动的通道
2. 循环 read，读取驱动返回的 2 字节原始温度数据
3. LM75 温度计算公式详解
   • tmpbuff[0] <<8 | tmpbuff[1]：高低字节拼成 16bit 原始数据
   • >>5：LM75 寄存器低 5bit 无效，右移 5bit 取出有效的 11bit
   • *0.125：传感器 LSB = 0.125℃，换算成真实温度

⚠️当前公式缺陷：没有处理补码负温度！当温度小于 0℃，11bit 是补码，这个公式会算出错误的正数，只能正确读取 0℃以上温度。

四、整体调用流程（对照思维导图）

graph TD A[用户应用app] -->|open/read系统调用| B[misc杂项设备层] B -->|file_operations.read| C[驱动lm75_read] C -->|构造i2c_msg消息| D[i2c-core I2C核心子系统] D -->|调用adapter->algo->master_xfer| E[I2C适配器硬件驱动] E -->|I2C SDA/SCL硬件信号| F[硬件LM75传感器] F -->返回2字节原始数据 F -->E -->D -->C -->copy_to_user -->B -->A

五、现有代码 Bug 与优化方案

驱动侧问题

1. ❌ 直接调用adapter->algo->master_xfer，属于内核内部私有接口，内核版本升级容易失效。✅推荐使用标准封装函数i2c_transfer()

//替换写法 ret = i2c_transfer(lm75_client->adapter, &sendmsg,1);

1. ❌ 没有判断全局lm75_client是否为空，如果 probe 失败，read 会空指针内核崩溃
2. ❌ 错误返回值直接 return -1，内核标准规范应该返回负错误码，如-EIO
3. ❌ 没有 open/release 回调，多进程同时打开读取，全局变量存在竞态风险
4. ❌ read 没有处理用户传入 count 参数，不管用户读多少字节，强制拷贝 2 字节

应用侧问题

1. ❌ read 返回值没有判断，I2C 通讯出错，旧脏数据依然参与温度计算，打印错误值
2. ❌ 缺少负温度补码处理，零下温度计算结果错误
3. ❌ 循环没有错误退出机制，read 持续失败不会退出程序

优化后的应用代码（支持负温度）

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> int main(void) { int fd = 0; unsigned char tmpbuff[2] = {0}; short raw; fd = open("/dev/lm75_misc", O_RDWR); if (-1 == fd) { perror("fail to open"); return -1; } while (1) { int ret = read(fd, tmpbuff, sizeof(tmpbuff)); if(ret !=2) { perror("read error"); sleep(1); continue; } raw = (tmpbuff[0] <<8) | tmpbuff[1]; raw = raw >> 5; //取出11bit有效数据 float temp = raw * 0.125f; printf("temp = %.2lf ℃\n", temp); sleep(1); } close(fd); return 0; }

六、编译 Makefile 示例

KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) obj-m += i2c_lm75_drv.o all: make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules gcc i2c_lm75_app.c -o app_lm75 clean: make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean rm app_lm75

七、测试步骤

#1.编译 make #2.加载驱动模块 insmod i2c_lm75_drv.ko #3.查看设备节点 ls /dev/lm75_misc #4.运行测试程序 ./app_lm75 #5.卸载驱动 rmmod i2c_lm75_drv

八、总结

1. Linux I2C 子系统分为I2C 设备驱动（我们写的）、I2C 核心层、I2C 适配器总线驱动三层，分离硬件和设备逻辑。
2. I2C 设备驱动开发核心：i2c_driver结构体 + probe 回调，设备树 compatible 匹配。
3. misc 杂项设备简化字符设备，自动创建设备节点，适合简单外设。
4. I2C 读取寄存器标准方式：先发寄存器地址（写消息），重复起始，再读数据，使用i2c_msg封装多条消息。
5. LM75 原始数据是 11bit 补码，原版应用代码无法处理负温度，开发需要注意传感器 datasheet 寄存器格式。