Linux SPI/I2C 学习笔记

2301_80635989

632人浏览 · 2026-01-03 18:07:05

2301_80635989 · 2026-01-03 18:07:05 发布

Linux SPI/I2C 学习笔记

学习日期: 2026-01-03
硬件平台: Orange Pi AI Pro 8T
操作系统: Ubuntu 22.04 (Linux 5.10.0+ aarch64)
作者: 嵌入式学习者 (从STM32转Linux)

📚 目录

项目概述
I2C学习笔记
SPI学习笔记
C vs Python对比
常见问题
参考资料

项目概述

🎯 学习目标

本项目旨在帮助从STM32开发转向Linux嵌入式开发的学习者,掌握Linux下的SPI和I2C通信接口。

📁 项目结构

linux_spi_i2c_learning/
├── i2c_test/              # I2C测试程序
│   ├── i2c_scan.c         # I2C扫描工具(C语言)
│   ├── i2c_scan.py        # I2C扫描工具(Python)
│   ├── i2c_rw.c           # I2C读写示例(C语言)
│   ├── i2c_rw.py          # I2C读写示例(Python)
│   └── Makefile           # I2C编译脚本
├── spi_test/              # SPI测试程序
│   ├── spi_loopback.c     # SPI回环测试(C语言)
│   ├── spi_loopback.py    # SPI回环测试(Python)
│   ├── spi_rw.c           # SPI Flash读写(C语言)
│   ├── spi_rw.py          # SPI Flash读写(Python)
│   └── Makefile           # SPI编译脚本
├── docs/                  # 文档目录
│   └── 学习笔记.md        # 本文档
├── common/                # 公共代码(预留)
└── Makefile               # 总编译脚本

I2C学习笔记

📖 基础知识

I2C协议回顾(与STM32对比)

特性	STM32 (HAL库)	Linux
设备访问	直接操作寄存器	通过设备文件 `/dev/i2c-X`
初始化	`HAL_I2C_Init()`	`open()` + `ioctl()`
写数据	`HAL_I2C_Mem_Write()`	`write()` 或 `i2c_smbus_*()`
读数据	`HAL_I2C_Mem_Read()`	`read()` 或 `i2c_smbus_*()`
时钟配置	通过寄存器设置	由内核驱动管理

Linux I2C设备文件

在Orange Pi上,I2C设备位于 /dev/i2c-X,其中X是总线编号:

$ ls -l /dev/i2c-*
crw-rw---- 1 HwHiAiUser HwHiAiUser 89, 0 Jan 2 22:17 /dev/i2c-0
crw-rw---- 1 HwHiAiUser HwHiAiUser 89, 1 Jan 2 22:17 /dev/i2c-1
crw-rw---- 1 HwHiAiUser HwHiAiUser 89, 2 Jan 2 22:17 /dev/i2c-2
...

🔧 C语言实现

1. I2C扫描工具

文件: i2c_scan.c

核心代码:

// 打开I2C设备
int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);

// 设置从设备地址
ioctl(fd, I2C_SLAVE, address);

// 尝试读取(测试设备是否响应)
uint8_t buf;
if (read(fd, &buf, 1) >= 0) {
    printf("找到设备: 0x%02X\n", address);
}

编译运行:

cd i2c_test
make
sudo ./i2c_scan 1  # 扫描 /dev/i2c-1

示例输出:

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: 50 51 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

找到 2 个I2C设备

2. I2C读写示例

文件: i2c_rw.c

关键API:

函数	功能	STM32等效
`i2c_open()`	打开并初始化I2C	`HAL_I2C_Init()`
`i2c_write_reg()`	写寄存器	`HAL_I2C_Mem_Write()`
`i2c_read_reg()`	读寄存器	`HAL_I2C_Mem_Read()`
`i2c_close()`	关闭设备	`HAL_I2C_DeInit()`

使用示例:

I2C_Device i2c;

// 打开I2C-1总线,设备地址0x50
i2c_open(&i2c, 1, 0x50);

// 读取寄存器0x00
uint8_t data;
i2c_read_reg(&i2c, 0x00, &data, 1);

// 写入数据到寄存器0x10
uint8_t write_data[] = {0xAA, 0xBB};
i2c_write_reg(&i2c, 0x10, write_data, 2);

i2c_close(&i2c);

编译运行:

cd i2c_test
sudo ./i2c_rw 1 0x50  # 操作I2C-1上地址为0x50的设备

🐍 Python实现

安装依赖

pip3 install smbus2

Python示例

文件: i2c_rw.py

from smbus2 import SMBus

class I2CDevice:
    def __init__(self, bus_num, dev_addr):
        self.bus = SMBus(bus_num)
        self.dev_addr = dev_addr

    def write_reg(self, reg_addr, data):
        # 写入单字节
        if isinstance(data, int):
            self.bus.write_byte_data(self.dev_addr, reg_addr, data)
        # 写入多字节
        else:
            self.bus.write_i2c_block_data(self.dev_addr, reg_addr, data)

    def read_reg(self, reg_addr, length=1):
        # 读取单字节
        if length == 1:
            return self.bus.read_byte_data(self.dev_addr, reg_addr)
        # 读取多字节
        else:
            return self.bus.read_i2c_block_data(self.dev_addr, reg_addr, length)

# 使用示例
i2c = I2CDevice(1, 0x50)
data = i2c.read_reg(0x00)
i2c.write_reg(0x10, [0xAA, 0xBB])

运行:

sudo python3 i2c_test/i2c_scan.py 1
sudo python3 i2c_test/i2c_rw.py 1 0x50

🎓 关键知识点

设备地址: Linux中使用7位地址(不含读写位),与STM32相同
权限问题: 需要root权限或将用户加入i2c组
错误处理: 检查返回值,使用errno获取错误信息
超时设置: 可通过ioctl(fd, I2C_TIMEOUT, 100)设置超时
时钟速率: 通常由设备树配置,用户空间无法直接修改

SPI学习笔记

📖 基础知识

SPI协议回顾(与STM32对比)

特性	STM32 (HAL库)	Linux
设备访问	直接操作寄存器	通过设备文件 `/dev/spidevX.Y`
初始化	`HAL_SPI_Init()`	`open()` + `ioctl()` 配置
传输	`HAL_SPI_TransmitReceive()`	`ioctl(SPI_IOC_MESSAGE)`
模式配置	通过寄存器设置	`ioctl(SPI_IOC_WR_MODE)`
速度配置	通过时钟分频器	`ioctl(SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ)`

SPI模式

模式	CPOL	CPHA	说明
0	0	0	空闲低电平,第一个边沿采样
1	0	1	空闲低电平,第二个边沿采样
2	1	0	空闲高电平,第一个边沿采样
3	1	1	空闲高电平,第二个边沿采样

Linux SPI设备文件

$ ls -l /dev/spidev*
crw------- 1 root root 153, 0 Jan 2 22:17 /dev/spidev0.0
crw------- 1 root root 153, 1 Jan 2 22:17 /dev/spidev1.0
crw-rw---- 1 HwHiAiUser HwHiAiUser 153, 2 Jan 2 22:17 /dev/spidev3.0

格式: /dev/spidevX.Y

X: SPI总线编号
Y: 片选(CS)编号

🔧 C语言实现

1. SPI回环测试

文件: spi_loopback.c

硬件连接: 将MOSI和MISO短接

核心代码:

// 打开SPI设备
int fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);

// 设置SPI模式
uint8_t mode = 0;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 设置时钟速度
uint32_t speed = 1000000;  // 1MHz
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);

// 全双工传输
struct spi_ioc_transfer tr = {
    .tx_buf = (unsigned long)tx_buffer,
    .rx_buf = (unsigned long)rx_buffer,
    .len = data_length,
    .speed_hz = speed,
    .bits_per_word = 8,
};
ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);

编译运行:

cd spi_test
make
sudo ./spi_loopback 0 0 1000000 0

参数说明: 总线号片选号速度(Hz) 模式

示例输出:

【测试1】基本回环测试 (8字节):
  发送数据: 01 23 45 67 89 AB CD EF
  接收数据: 01 23 45 67 89 AB CD EF
  ✓ 测试通过!

2. SPI Flash读写

文件: spi_rw.c

支持的SPI Flash命令:

命令	值	功能
JEDEC ID	0x9F	读取制造商和设备ID
Read Status	0x05	读取状态寄存器
Write Enable	0x06	使能写操作
Read Data	0x03	读取Flash数据

示例:

// 读取Flash ID
uint8_t tx_buf[4] = {0x9F, 0x00, 0x00, 0x00};
uint8_t rx_buf[4];
spi_transfer(&spi_dev, tx_buf, rx_buf, 4);

uint8_t mfg_id = rx_buf[1];  // 制造商ID
uint8_t dev_id = rx_buf[2];  // 设备ID

常见Flash厂商ID:

0xEF: Winbond
0xC2: Macronix
0x20: Micron
0x01: Spansion

编译运行:

sudo ./spi_rw 0 0 1000000 0

🐍 Python实现

安装依赖

pip3 install spidev

Python示例

文件: spi_loopback.py

import spidev

class SPIDevice:
    def __init__(self, bus_num, cs_num, speed, mode=0):
        self.spi = spidev.SpiDev()
        self.spi.open(bus_num, cs_num)
        self.spi.max_speed_hz = speed
        self.spi.mode = mode
        self.spi.bits_per_word = 8

    def transfer(self, tx_data):
        """全双工传输"""
        return self.spi.xfer2(tx_data)

    def write(self, tx_data):
        """只写"""
        self.spi.writebytes(tx_data)

    def read(self, length):
        """只读"""
        return self.spi.readbytes(length)

# 使用示例
spi = SPIDevice(0, 0, 1000000, 0)
rx_data = spi.transfer([0x01, 0x23, 0x45, 0x67])
spi.close()

运行:

sudo python3 spi_test/spi_loopback.py 0 0 1000000 0
sudo python3 spi_test/spi_rw.py 0 0 1000000 0

🎓 关键知识点

全双工通信: SPI同时发送和接收,即使只读也要发送dummy数据
片选管理: Linux驱动自动管理CS信号
字节序: 注意大端/小端,Flash地址通常是大端(高字节在前)
时序要求: 设置正确的模式和速度,查看设备手册
速度限制: 实际速度受硬件和驱动限制,可能不是设置的精确值

C vs Python对比

性能对比

指标	C语言	Python
执行速度	⭐⭐⭐⭐⭐ 快	⭐⭐⭐ 较慢
内存占用	⭐⭐⭐⭐⭐ 小	⭐⭐⭐ 较大
编译时间	需要编译	无需编译
启动时间	⭐⭐⭐⭐⭐ 快	⭐⭐⭐ 较慢
实时性	⭐⭐⭐⭐⭐ 好	⭐⭐⭐ 一般

开发效率对比

指标	C语言	Python
代码量	多	少(约1/3)
调试难度	较高	较低
学习曲线	陡峭	平缓
开发速度	慢	快
错误处理	手动管理	异常机制

使用建议

选择C语言的场景:

对性能有严格要求
需要实时响应
嵌入式产品级开发
与现有C代码集成

选择Python的场景:

快速原型验证
学习和测试
数据处理和分析
脚本自动化

我的建议:

学习阶段: 先用Python快速理解概念
深入理解: 用C语言掌握底层细节
实际项目: 根据需求选择合适的语言

常见问题

Q1: 权限不足 (Permission denied)

问题:

Error opening /dev/i2c-1: Permission denied

解决方案:

方法1: 使用sudo运行

sudo ./i2c_scan 1

方法2: 将用户加入i2c和spi组

sudo usermod -a -G i2c $USER
sudo usermod -a -G spi $USER
# 重新登录生效

方法3: 修改设备文件权限(不推荐)

sudo chmod 666 /dev/i2c-*
sudo chmod 666 /dev/spidev*

Q2: 设备不存在 (No such file or directory)

问题:

Error opening /dev/i2c-1: No such file or directory

检查步骤:

查看可用设备:

ls /dev/i2c-*
ls /dev/spidev*

检查内核模块是否加载:

lsmod | grep i2c
lsmod | grep spi

加载模块(如果未加载):

sudo modprobe i2c-dev
sudo modprobe spidev

检查设备树配置:

# 查看I2C总线
ls /sys/bus/i2c/devices/

# 查看SPI总线
ls /sys/bus/spi/devices/

Q3: I2C扫描找不到设备

可能原因:

设备未连接: 检查硬件连接
电源问题: 确认设备供电正常
上拉电阻: I2C需要上拉电阻(通常4.7kΩ)
地址错误: 确认设备地址(7位)
总线选错: 尝试其他I2C总线

调试方法:

# 使用i2cdetect工具扫描
sudo i2cdetect -y 1

# 查看I2C总线信息
sudo i2cdetect -l

Q4: SPI回环测试失败

检查清单:

MOSI和MISO是否短接
连接线是否牢固
设备文件是否存在
SPI模式是否正确
时钟速度是否过高

降低速度测试:

# 降低到100kHz测试
sudo ./spi_loopback 0 0 100000 0

Q5: Python模块安装失败

问题:

ERROR: Could not find a version that satisfies the requirement smbus2

解决方案:

更新pip:

pip3 install --upgrade pip

使用国内镜像:

pip3 install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple smbus2
pip3 install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple spidev

安装系统包:

sudo apt-get install python3-smbus
sudo apt-get install python3-spidev

Q6: SPI Flash无法识别

调试步骤:

检查连接:
- MOSI → Flash的DI/MOSI
- MISO → Flash的DO/MISO
- CLK → Flash的CLK
- CS → Flash的CS
- 共地
检查电源电压(通常3.3V)
尝试不同的SPI模式(0或3)
降低时钟速度(1MHz以下)
用逻辑分析仪查看波形

快速参考

常用命令

# ========== 编译 ==========
make                    # 编译所有程序
make i2c                # 只编译I2C程序
make spi                # 只编译SPI程序
make clean              # 清理

# ========== I2C ==========
# 扫描I2C总线
sudo i2cdetect -y 1
sudo ./i2c_test/i2c_scan 1
sudo python3 i2c_test/i2c_scan.py 1

# 读写I2C设备
sudo ./i2c_test/i2c_rw 1 0x50
sudo python3 i2c_test/i2c_rw.py 1 0x50

# ========== SPI ==========
# SPI回环测试(需要MOSI-MISO短接)
sudo ./spi_test/spi_loopback 0 0 1000000 0
sudo python3 spi_test/spi_loopback.py 0 0 1000000 0

# SPI Flash测试
sudo ./spi_test/spi_rw 0 0 1000000 0
sudo python3 spi_test/spi_rw.py 0 0 1000000 0

# ========== 系统命令 ==========
# 查看I2C总线
ls /dev/i2c-*
i2cdetect -l

# 查看SPI设备
ls /dev/spidev*

# 查看设备树
ls /sys/bus/i2c/devices/
ls /sys/bus/spi/devices/

API速查表

I2C (C语言)

#include <linux/i2c-dev.h>

// 打开设备
int fd = open("/dev/i2c-1", O_RDWR);

// 设置从设备地址
ioctl(fd, I2C_SLAVE, 0x50);

// 写入数据
write(fd, buffer, length);

// 读取数据
read(fd, buffer, length);

// 关闭
close(fd);

I2C (Python)

from smbus2 import SMBus

bus = SMBus(1)

# 写单字节
bus.write_byte_data(addr, reg, value)

# 读单字节
value = bus.read_byte_data(addr, reg)

# 写多字节
bus.write_i2c_block_data(addr, reg, [data...])

# 读多字节
data = bus.read_i2c_block_data(addr, reg, length)

SPI (C语言)

#include <linux/spi/spidev.h>

// 打开设备
int fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);

// 设置模式
uint8_t mode = 0;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 设置速度
uint32_t speed = 1000000;
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);

// 传输
struct spi_ioc_transfer tr = {
    .tx_buf = (unsigned long)tx_buf,
    .rx_buf = (unsigned long)rx_buf,
    .len = len,
};
ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);

SPI (Python)

import spidev

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
spi.max_speed_hz = 1000000
spi.mode = 0

# 全双工传输
rx_data = spi.xfer2([0x01, 0x02, 0x03])

# 只写
spi.writebytes([0x01, 0x02])

# 只读
rx_data = spi.readbytes(4)

进阶学习

下一步学习建议

设备树 (Device Tree):
- 学习如何配置I2C/SPI设备树节点
- 理解设备树与硬件的映射关系
内核驱动:
- 编写简单的I2C设备驱动
- 编写SPI设备驱动
- 理解Linux驱动框架
实际项目:
- I2C: OLED显示屏、温湿度传感器、RTC时钟
- SPI: Flash存储器、SD卡、LoRa模块
高级特性:
- DMA传输
- 中断驱动
- 多主机模式

学习心得

STM32 vs Linux 对比总结

相似之处:

通信协议本质相同(I2C/SPI标准)
设备地址概念一致
寄存器操作逻辑相似

主要差异:

Linux通过文件系统抽象硬件
不直接操作寄存器,通过系统调用
权限管理更严格
时钟配置由内核管理

学习建议:

先理解协议本质(与STM32经验结合)
掌握Linux设备文件概念
学会使用系统工具(i2cdetect等)
逐步深入内核驱动

项目总结

通过本项目,我们完成了:

✅ I2C和SPI的C语言实现
✅ I2C和SPI的Python实现
✅ 设备扫描和诊断工具
✅ 完整的测试用例
✅ 详细的学习文档

收获:

理解了Linux用户空间的I2C/SPI编程
掌握了C和Python两种实现方式
学会了使用系统工具诊断问题
建立了从STM32到Linux的知识迁移

下一步计划:

连接实际I2C设备(OLED/传感器)进行测试
测试SPI Flash读写擦除功能
学习设备树配置
尝试编写内核驱动

附录

A. 硬件信息

开发板: Orange Pi AI Pro 8T
处理器: ARM Cortex-A (aarch64)
操作系统: Ubuntu 22.04
内核版本: Linux 5.10.0+

I2C总线: 10个 (i2c-0 ~ i2c-9, i2c-13)
SPI总线: 5个 (spidev0.0, spidev1.0, spidev3.0, spidev4.0, spidev5.0)

B. 工具安装

# 编译工具
sudo apt-get install build-essential

# I2C工具
sudo apt-get install i2c-tools libi2c-dev

# Python库
pip3 install smbus2 spidev

# 可选工具
sudo apt-get install tree   # 目录树显示

C. 项目文件清单

总共文件: 15个
- C源文件: 4个
- Python脚本: 4个
- Makefile: 3个
- 文档: 1个
- README: 1个

D. 版本历史

v1.0 (2026-01-03): 初始版本
- 实现I2C/SPI的C和Python版本
- 完成基础测试程序
- 编写学习文档

💡 学习Tips:

边学边实践,不要只看不做

遇到问题先查日志和错误信息

善用系统工具(i2cdetect, i2cdump等)

对比STM32经验,理解差异

从简单到复杂,循序渐进

https://edu.csdn.net/learn/39067/627173?utm_source=2019755004

汇聚全球AI编程工具，助力开发者即刻编程。

更多推荐

ChatGPT Plus续费前先查这4项：账号、套餐、日期和扣款渠道

AI编程社区

保姆级！CodeX 与 CodeX CLI / IDE客户端安装及环境搭建 | 纯小白指南

进入->Plugins-> 搜索。安装完成后，在Tools->中：设置为。填入私有安全网关地址。勾选(开启多文件全局符号关联解析)。在 AI 范式深度演化与 Vibe Coding 普遍落地的当下，掌握 CodeX 的全套安装、配置、沙箱隔离与流水线自动化构建，是每一位极客开发者迈向智能化研发的必备功课。先搞定底层 Python/TypeScript SDK，确保 API 接入与代理链路畅通；全面

AI编程社区

通过 Sub2API 配置 Claude CoWork 3P 渠道解锁 GPT-5.6 Sol

AI编程社区

所有评论(0)

查看更多评论

2301_80635989

@2301_80635989

已为社区贡献1条内容

Linux SPI/I2C 学习笔记

2301_80635989

Linux SPI/I2C 学习笔记

📚 目录

项目概述

🎯 学习目标

📁 项目结构

I2C学习笔记

📖 基础知识

I2C协议回顾(与STM32对比)

Linux I2C设备文件

🔧 C语言实现

1. I2C扫描工具

2. I2C读写示例

🐍 Python实现

安装依赖

Python示例

🎓 关键知识点

SPI学习笔记

📖 基础知识

SPI协议回顾(与STM32对比)

SPI模式

Linux SPI设备文件

🔧 C语言实现

1. SPI回环测试

2. SPI Flash读写

🐍 Python实现

安装依赖

Python示例

🎓 关键知识点

C vs Python对比

性能对比

开发效率对比

使用建议

常见问题

Q1: 权限不足 (Permission denied)

Q2: 设备不存在 (No such file or directory)

Q3: I2C扫描找不到设备

Q4: SPI回环测试失败

Q5: Python模块安装失败

Q6: SPI Flash无法识别

快速参考

常用命令

API速查表

I2C (C语言)

I2C (Python)

SPI (C语言)

SPI (Python)

进阶学习

推荐阅读

下一步学习建议

学习心得

STM32 vs Linux 对比总结

相似之处:

主要差异:

学习建议:

项目总结

附录

A. 硬件信息

B. 工具安装

C. 项目文件清单

D. 版本历史

所有评论(0)

温馨提示：您尚未绑定手机号

2301_80635989