一、I2C 基础概念与硬件特性
1.1 I2C 总线核心定义
I2C（Inter-Integrated Circuit）是飞利浦提出的串行半双工通信总线，核心特点是两根信号线实现多设备互联：
- SDA（Serial Data）：双向数据线，用于传输数据；
- SCL（Serial Clock）：双向时钟线，由主设备产生，同步数据传输；
- 上拉电阻：SDA 和 SCL 需外接（或引脚内部配置）上拉电阻（通常 4.7KΩ），空闲时保持高电平；
- 主从架构：同一总线中仅 1 个主设备（如 I.MX6ULL），可挂载多个从设备（如 AT24C02、LM75），通过设备地址区分从设备。
1.2 I.MX6ULL I2C 硬件特性
- 控制器数量：共 4 路 I2C 控制器（I2C1~I2C4），支持主 / 从模式；
- 传输速率：标准模式（100Kbps）、快速模式（400Kbps）；
- 时钟源：默认使用IPG_CLK_ROOT（66MHz），通过分频器得到 I2C 工作时钟；
- FIFO 支持：部分控制器含 TX/RXFIFO（如 ECSPI 关联的 I2C 无 FIFO，需软件模拟时序）；
- 中断支持：可配置 FIFO 空、传输完成、仲裁丢失等中断；
- 器件兼容性：支持 I2C 标准从设备（EEPROM、传感器、时钟芯片等），本次重点适配AT24C02（EEPROM） 和LM75（温度传感器）。
二、I2C 核心通信时序
2.1 基础时序单元
- 起始信号（S）：SCL 为高电平时，SDA 从高电平拉低（下降沿），标志通信开始；
- 停止信号（P）：SCL 为高电平时，SDA 从低电平拉高（上升沿），标志通信结束；
- 数据传输：SCL 高电平时，SDA 电平需稳定（数据有效）；SCL 低电平时，SDA 可切换电平（准备下一位数据）；
- 应答（ACK）：主设备发送 1 字节后，释放 SDA；从设备在 SCL 高电平时拉低 SDA，表示数据接收成功；
- 非应答（NACK）：主设备接收最后 1 字节后，SCL 高电平时保持 SDA 高电平，表示无需继续接收。
2.2 核心操作时序
从设备写操作（主→从，如向 AT24C02 写数据）
- 主设备发送起始信号（S）；
- 主设备发送从设备地址 + 写标志（最低位为 0），等待从设备应答（ACK）；
- 主设备发送从设备内部寄存器地址（如 AT24C02 的存储地址），等待应答；
- 主设备发送数据（1~N 字节），每字节后等待应答；
- 主设备发送停止信号（P），结束写操作。
从设备读操作（从→主，如从 LM75 读温度）
- 主设备发送起始信号（S）；
- 主设备发送从设备地址 + 写标志（0），等待应答（此时目的是 “告知读哪个寄存器”）；
- 主设备发送目标寄存器地址（如 LM75 的温度寄存器 0x00），等待应答；
- 主设备发送重复起始信号（S）（不发停止信号，避免总线释放）；
- 主设备发送从设备地址 + 读标志（1），等待应答；
- 主设备接收数据（1~N 字节）：
- 接收前 N-1 字节后，主设备发送 ACK；
- 接收最后 1 字节后，主设备发送 NACK（告知从设备停止发送）；
- 主设备发送停止信号（P），结束读操作。
三、I.MX6ULL I2C 寄存器详解
核心寄存器
- I2Cx_IADR：从设备地址寄存器；
- I2Cx_IFDR：分频寄存器（决定 I2C 波特率）；
- I2Cx_I2CR：控制寄存器；
- I2Cx_I2SR：状态寄存器；
- I2Cx_I2DR：数据寄存器。
四、I2C 完整实现流程
4.1 I2C 引脚初始化
- 配置复用功能和电气特性，以 I2C1 为例（SDA=UART4_RX，SCL=UART4_TX）；
- 初始化 I2C 控制器（先关闭，再配置分频）。
4.2 I2C 通用读写函数
i2c_write：向指定从设备的指定寄存器写入 N 字节数据；i2c_read：从指定从设备的指定寄存器读取 N 字节数据。
I2C 写函数（i2c_write）
功能：向指定从设备的指定寄存器写入 N 字节数据
1// base：I2C控制器基地址（如I2C1） 2// device_address：从设备地址（如LM75=0x48） 3// reg_address：从设备寄存器地址（如LM75温度寄存器=0x00） 4// reg_len：寄存器地址长度（1或2字节） 5// data：待写入数据指针 6// len：数据长度 7void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char device_address, unsigned short reg_address, int reg_len, const unsigned char *data, int len) 8{ 9 // 1. 清除仲裁丢失和中断标志，等待总线空闲 10 base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1)); // 清除IAL（bit4）和IIF（bit1） 11 while((base->I2SR & (1 << 7)) == 0); // 等待ICF（bit7）=1（总线空闲） 12 13 // 2. 配置为主设备发送模式，发送ACK 14 base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4); // MSTA=1（主模式）、MTX=1（发送） 15 base->I2CR &= ~(1 << 3); // TXAK=0（发送ACK） 16 17 // 3. 发送从设备地址（写模式：最低位=0） 18 base->I2SR &= ~(1 << 1); // 清除IIF（中断标志） 19 base->I2DR = device_address << 1; // 设备地址+写标志 20 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); // 等待传输完成（IIF=1） 21 22 // 4. 发送寄存器地址（支持1/2字节） 23 for(int i = 0; i < reg_len; ++i) 24 { 25 base->I2SR &= ~(1 << 1); // 清除IIF 26 // 高位在前：若reg_len=2，先发高8位，再发低8位 27 base->I2DR = reg_address >> (reg_len - i - 1) * 8; 28 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); // 等待传输完成 29 } 30 31 // 5. 发送数据（N字节） 32 while (len--) 33 { 34 base->I2SR &= ~(1 << 1); // 清除IIF 35 base->I2DR = *data++; // 写入1字节数据 36 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); // 等待传输完成 37 } 38 39 // 6. 发送停止信号（清除主模式） 40 base->I2CR &= ~(1 << 5); // MSTA=0（释放主模式，产生停止信号） 41 while((base->I2SR & (1 << 5)) != 0); // 等待IBB=0（总线空闲） 42 delayus(100); // 短暂延时，确保停止信号稳定 43} 44
I2C 读函数（i2c_read）
功能：从指定从设备的指定寄存器读取 N 字节数据
1void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char device_address, unsigned short reg_address, int reg_len, unsigned char *data, int len) 2{ 3 // 1. 清除标志，等待总线空闲（同写函数） 4 base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1)); 5 while((base->I2SR & (1 << 7)) == 0); 6 7 // 2. 配置为主设备发送模式，先写寄存器地址 8 base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4); // MSTA=1、MTX=1 9 base->I2CR &= ~(1 << 3); // TXAK=0（发送ACK） 10 11 // 3. 发送从设备地址（写模式） 12 base->I2SR &= ~(1 << 1); 13 base->I2DR = device_address << 1; 14 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); 15 16 // 4. 发送寄存器地址（同写函数） 17 for(int i = 0; i < reg_len; ++i) 18 { 19 base->I2SR &= ~(1 << 1); 20 base->I2DR = reg_address >> (reg_len - i - 1) * 8; 21 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); 22 } 23 24 // 5. 发送重复起始信号，切换为读模式 25 base->I2CR |= (1 << 2); // RSTA=1（产生重复起始） 26 base->I2SR &= ~(1 << 1); 27 base->I2DR = device_address << 1 | 1; // 设备地址+读标志（最低位=1） 28 while((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); 29 30 // 6. 切换为接收模式 31 base->I2CR &= ~(1 << 4); // MTX=0（接收） 32 base->I2SR &= ~(1 << 1); 33 34 // 7. 若仅读1字节，提前发送NACK 35 if(len == 1) 36 { 37 base->I2CR |= (1 << 3); // TXAK=1（发送NACK） 38 } 39 *data = base->I2DR; // 虚假读：触发接收（I2C全双工，发送时已接收无效数据） 40 41 // 8. 接收N字节数据 42 while(len-- != 0) 43 { 44 while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0); // 等待接收完成 45 base->I2SR &= ~(1 << 1); 46 47 // 处理最后1字节：发送停止信号 48 if(len == 0) 49 { 50 base->I2CR &= ~((1 << 5) | (1 << 3)); // MSTA=0（停止）、TXAK=0 51 while((base->I2SR & (1 << 5)) != 0); // 等待总线空闲 52 } 53 // 处理倒数第2字节：提前发送NACK 54 else if (len == 1) 55 { 56 base->I2CR |= (1 << 3); // TXAK=1（下一字节发NACK） 57 } 58 59 *data++ = base->I2DR; // 读取接收数据 60 } 61} 62
4.3 封装传输函数（xfer）
封装I2C_MSG结构体，统一管理传输参数，提高代码复用性：
1// i2c.h 中定义结构体和枚举 2enum I2C_Direction 3{ 4 I2C_Write = 0, // 写方向 5 I2C_Read = 1 // 读方向 6}; 7 8struct I2C_MSG 9{ 10 unsigned char dev_address; // 从设备地址 11 unsigned short reg_address; // 寄存器地址 12 int reg_len; // 寄存器地址长度（1/2） 13 unsigned char *data; // 数据指针 14 int len; // 数据长度 15 enum I2C_Direction direction;// 传输方向 16}; 17 18// i2c.c 中实现传输函数 19void xfer(I2C_Type *base, struct I2C_MSG *msg) 20{ 21 if(msg->direction == I2C_Write) 22 { 23 i2c_write(base, msg->dev_address, msg->reg_address, msg->reg_len, msg->data, msg->len); 24 } 25 else 26 { 27 i2c_read(base, msg->dev_address, msg->reg_address, msg->reg_len, msg->data, msg->len); 28 } 29} 30
五、LM75 温度传感器驱动（基于 I2C）
LM75 是 I2C 接口的温度传感器，设备地址为0x48，温度寄存器（0x00）存储 16 位数据（高 9 位为温度值，单位 0.5℃）。
5.1 温度读取函数（lm75.c）
1#include "lm75.h" 2#include "i2c.h" 3#include "MCIMX6Y2.h" 4 5// 读取LM75温度（返回值：℃，如25.5℃返回25.5） 6float lm75_get_temperature(void) 7{ 8 unsigned char buffer[2] = {0}; // 存储16位温度数据 9 short temp_raw; // 原始温度值（16位） 10 11 // 1. 构造I2C传输参数 12 struct I2C_MSG msg = 13 { 14 .direction = I2C_Read, // 读方向 15 .dev_address = 0x48, // LM75设备地址 16 .reg_address = 0x00, // 温度寄存器地址（1字节） 17 .reg_len = 1, // 寄存器地址长度=1 18 .data = buffer, // 数据缓冲区 19 .len = 2 // 读取2字节 20 }; 21 22 // 2. 调用I2C传输函数 23 xfer(I2C1, &msg); 24 25 // 3. 解析温度数据（LM75数据格式：高8位+低8位，高9位有效） 26 temp_raw = (buffer[0] << 8) | buffer[1]; // 组合16位原始数据 27 temp_raw >>= 7; // 右移7位，保留高9位（符号位+8位数值） 28 return temp_raw * 0.5f; // 0.5℃/LSB，转换为实际温度 29} 30
5.2 头文件声明（lm75.h）
1#ifndef __LM75_H__ 2#define __LM75_H__ 3 4// 读取LM75温度，返回值单位：℃ 5extern float lm75_get_temperature(void); 6 7#endif 8
5.3 主函数测试（main.c）
初始化 I2C、UART 和 LM75，通过 UART 打印温度数据：
1#include "led.h" 2#include "uart.h" 3#include "i2c.h" 4#include "lm75.h" 5#include "delay.h" 6#include "stdio.h" 7 8int main(void) 9{ 10 // 1. 初始化系统时钟、UART（用于打印）、I2C1 11 init_clock(); // 初始化系统时钟（IPG_CLK=66MHz） 12 init_uart1(); // 初始化UART1（115200bps，用于打印温度） 13 init_i2c1(); // 初始化I2C1（100Kbps） 14 15 while(1) 16 { 17 // 2. 读取LM75温度 18 float temp = lm75_get_temperature(); 19 20 // 3. 格式化温度数据（避免浮点数打印误差） 21 int temp_int = (int)temp; // 整数部分（如25.5→25） 22 int temp_dec = (int)((temp - temp_int) * 10); // 小数部分（如25.5→5） 23 24 // 4. 通过UART打印温度 25 printf("LM75 Temperature: %d.%d℃\n", temp_int, temp_dec); 26 27 delayms(1000); // 1秒刷新一次 28 } 29 return 0; 30} 31
六、关键注意事项
- 上拉电阻配置：I2C 总线必需上拉，可通过引脚电气属性配置内部上拉（如
IOMUXC_SetPinConfig的PUS位），或外接 4.7KΩ 电阻； - 仲裁丢失处理：若多主设备竞争总线，
I2SR->IAL会置 1，需清除该位后重新初始化 I2C； - 应答判断：传输过程中需检查
I2SR->RXAK，若为 1（接收 NACK），需重新发送或终止通信； - 寄存器地址长度：不同器件的寄存器地址长度不同（如 AT24C02 为 1 字节，某些传感器为 2 字节），需在
I2C_MSG中正确设置reg_len； - SION 位使能：部分 I2C 引脚需使能
SION（软件输入路径），否则无法读取 SDA 电平（如IOMUXC_SetPinMux的第 2 个参数设为 1）； - 时钟分频计算：I2C 波特率 = IPG_CLK / 分频系数，标准模式（100Kbps）推荐分频系数 = 640（66MHz/640≈103Kbps），快速模式（400Kbps）推荐分频系数 = 160（66MHz/160≈412.5Kbps）。
七、总结
I.MX6ULL 的 I2C 开发的核心是严格遵循时序规范和熟练操作寄存器，关键流程可概括为：引脚复用配置 → I2C控制器初始化（分频、使能） → 封装通用读写函数 → 适配具体I2C器件（LM75/AT24C02） → 测试验证。通过结构体封装传输参数（如I2C_MSG）可显著提高代码复用性，这一思想也与 Linux 内核 I2C 子系统的设计一致，为后续驱动开发打下基础。
《嵌入式硬件——基于IMX6ULL的I2C实现》 是转载文章，点击查看原文。
