I2C集成电路总线

（摘要：空闲时，时钟线数据线都是高电平，主机发送数据前，要在时钟为高电平时，把数据线从高电平拉低，数据发送采取高位先行，时钟线低电平时可以修改数据线，时钟线高电平时要求数据线稳定，数据为8bit，发到第九个bit时，是应答位，另一个设备应答为低电平为ack，高电平为nack，结束通信，时钟线高电平时，把数据线从低电平拉高。）

（主设备发送完起始信号，第一个字节是设备地址8bit，最后一位为0表示主机发数据，从机收数据，反之主收从发，所以设备可以有2^7个）

 e2prom芯片

IIC（Inter-Integrated Circuit）又称I2C，是是IICBus简称，所以中文应该叫集成电路总线。是飞

利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展而来的一种同

步串行半双工通信总线方式。该总线允许同时连接多个设备(芯片)。每块芯片在总线上拥有特定的

地址。自2006年10月1日起，使用I²C协议已经不需要支付专利费，但制造商仍然需要付费以获取

IIC从属设备地址。

上图所示是IIC的总线的使用场景，所有挂载在IIC总线上的设备都有两根信号线，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。这两个信号线都是双向的。作为一种通信方式， IIC总线在某一时刻，总线只允许有一个设备处于发送状态，所发生的数据被总线上所有的设备所接收。 IIC通信协议包含有设备地址，只有发送方携带的地址与某个接收方的地址相同时，接收方才真正执行相关的指令.

IIC总线规定，设备在空闲时，两根总线都处于高电平状态。为保证这种状态，数据线SDA和时钟线SCL都要外接上拉电阻。 对于I.MX来说，这个上拉电阻也可以在引脚电器配置中设置。

IIC总线上连接的若干设备中，每次通信前，发送方首先发送一个“起始”信号，其实信号就是在SCL为高电平时， SDA发送一个低电平。当其它设备接收到这个其实信号后，将进行一次“总线仲裁”。意思就是设备(除发送起始信号的那个设备以外的)都将处于聆听状态。

IIC总线进行数据传送时，时钟线(SCL)上的信号为高电平期间，数据线(SDA)上的数据必须保持稳定。只有在时钟线(SCL)上的信号为低电平期间，数据线(SCL)上的高电平或低电平状态才允许变化。同时， SCL信号由数据启动发送的设备提供。输出到数据线(SDA)上的每个字节必须是8位。数据传送时，先传送最高位(MSB)，后传送最低位(LSB)

发送器每发送一个字节（8个bit），就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 主机SCL拉高，读取从机SDA的电平。对于反馈有效应答位ACK的要求是：接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将数据线SDA拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

数据线(SDA)为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节。

数据线(SDA)为高电平时，规定为非应答位（NACK），表示接收器没有成功接收该字节。

当发送方发送完最后一个bit后，需要发送一个结束标志来终止整个通信过程。当时钟线SCL 为高电平时，数据线SDA 由低电平向高电平跳变。

上图就是一个完整的IIC通信时序图。

由于I2C总线是一种总线式连接方式，意味着在同样的两根线上可能连接有多个不同的设备，这种总线式连接方案通常会被设计为主从应答通信方式。也就是说，对于总线上连接的所有设备来说，有一个设备是主设备，而其他设备都是从设备。设备之间的通信都是由主设备发起的，从设备被动应答主设备。这里不难看出： 1、从设备之间是无法直接完成通信的； 2、总线上的从设备必须拥有一个独一无二的标识，这个标识被称为设备地址。设备地址类似一个人的名字，因为在I2C总线通信过程中，无论哪个设备发送数据，其他所有设备都能够监听得到，所以每次通信时，主设备先发送要访问的子设备地址，每个子设备都把监听到的这个地址拿来跟自己进行匹配，只有匹配成功的子设备才是真正需要操作的设备。

按照I2C标准，主设备发起通信时先发送一个起始信号，之后发送的第一个字节就是子设备的设备地址。需要注意的是。设备地址本身只占7个比特，最后一个比特所代表的是之后的数据流向。 0代表主发从收，通常描述为写， 1表示从发主收，通常描述为读。

例如，某个设备的从机地址为0x48(二进制0100 1000b)，主机在发送完起始信号之后要发送要发送的从机地址其实是1001 000x，这里x就是数据流向位。如果x为0，表示接下来主机发送数据，从机接收数据，如果x为1，表示接下要求从机发送数据，主机接收数据

I.MX6ULL本身有四路I2C控制器，但是I.MX6ULL-Mini 开发板上只在I2C2控制器上连接了一个触控装置，用于检测用户点击了屏幕的哪个位置。关于触摸屏的操作我们之后再加以说明。而I2C1、 3、4控制器是空置的，我们可以用杜邦线连接我们需要接入的任意传感器。这里我们在I2C1上连接两个传感器AT24C02和LM75为例，作为本次I2C实验内容。

首先是AT24C02，这是一款EEPROM，是一种非易失性存储器。同类型的芯片还有AT24C04,AT24C08，之间的区别仅仅是存储大小不同。既然是一种存储器，那么对其操作无外乎有两种操作，读取和写入操作。这两种操作又同时面临了一个问题，读取和写入的位置。由于AT24C02有256个字节的空间，因此无论读取还是写入，都必须先告诉24C02读取或者写入的位置，即地址。因此，我们不难总结出对24C02的两种操作流程，我们分别加以说明：

接下来讨论从24C02中读取数据，事实上读取数据可以通过两种不同的方式进行，第一种方式是主机先发送设备地址，然后再发送要读取的位置地址。需要注意的是，虽然最终的目的是要从从机那里读取数据，但是由于我们需要先把读取的存储地址发送给从机，因此发送设备地址时我们把数据流向设置为写。发送完存储地址之后，第一种做法是发送停止位，然后重新启动通信，这次我们把发送设备地址时的数据流向设置为读，然后就顺序读取若干字节

第一种方式。这种读从机方式需要两次通信才行。大多数情况下我们并不采用这种方式，而是采用第二种方式，形式于此类似，不同之处仅在于第一次通信之后不发停止位，而是立即重新发送从机地址并标记数据流向为读：

上图就是完整的第二种方式的时序，可见这种方式在发送完写入地址之后并未结束通信，而是重新发送起始信号并改变数据流量，因此这种方式效率更高。需要注意的是，大多数I2C芯片都支持两种方式，但是在读取到最后一个字节的时候，注意必须回复NACK，否则可能会导致从机通信异常。

I.MX6U 提供了 4 个 I2C 外设，通过这四个 I2C 外设即可完成与 I2C 从器件进行通信I.MX6U的 I2C 支持两种模式：标准模式和快速模式，标准模式下 I2C 数据传输速率最高是 100Kbits/s，在快速模式下数据传输速率最高为 400Kbits/s。

先介绍一下跟I2C相关的寄存器，首先看一下 I2Cx_IADR(x=1~4)寄存器，这是I2C 的地址寄存器， ADR(bit7:1)位有效，用来保存 I2C 从设备地址数据。当我们要访问某个 I2C 从设备的时候就需要将其设备地址写入到 ADR 里面。

寄存器 I2Cx_IFDR 也只有 IC(bit5:0)这个位，用来设置 I2C 的波特率， I2C 的时钟源可以选择IPG_CLK_ROOT=66MHz，通过设置 IC 位既可以得到想要的 I2C 波特率。需要注意的是不像其他外设的分频设置一样可以随意设置，手册第1464页给出了I2Cx_IFDR[bit5:0]为不同的值时的分频值。比如现在 I2C 的时钟源为 66MHz，我们要设置I2C 的波特率为 100KHz，那么IC 就可以设置为 0X15，也就是 640 分频。 66000000/640=103.125KHz≈100KHz。

寄存器 I2Cx_I2CR 的各位含义如下：

• IEN(bit7)： I2C 使能位，为 1 的时候使能 I2C，为 0 的时候关闭 I2C；

• IIEN(bit6)： I2C 中断使能位，为 1 的时候使能 I2C 中断，为 0 的时候关闭 I2C 中断；

• MSTA(bit5)：主从模式选择位，设置 IIC 工作在主模式还是从模式，为 1 的时候工作在主模式，为 0的时候工作在从模式；

• MTX(bit4)：传输方向选择位，用来设置是进行发送还是接收，为 0 的时候是接收，为 1 的时候是发送；

• TXAK(bit3)：传输应答位使能，为 0 的话发送 ACK 信号，为 1 的话发送 NO ACK 信号；

• RSTA(bit2)：重复开始信号，为 1 的话产生一个重新开始信号。寄存器 I2Cx_I2SR 的各位含义如下：

• ICF(bit7)：数据传输状态位，为 0 的时候表示数据正在传输，为 1 的时候表示数据传输完成；

• IAAS(bit6)：当为 1 的时候表示 I2Cx_IADR 寄存器中的地址是从设备地址。为0表示I2Cx_IADR是自己的地址；

IBB(bit5)： I2C 总线忙标志位，当为 0 的时候表示 I2C 总线空闲，为 1 的时候表示 I2C 总线忙；

• IAL(bit4)：仲裁丢失位，为 1 的时候表示发生仲裁丢失。仲裁丢失在手册第1455页有说明，如果多个设备同时尝试连接总线，则其中一个成为主设备。硬件会立即将仲裁失败的设备切换到Slave

Receive模式 。那么仲裁失败的设备就会产生仲裁丢失，导致此位置位。需要理解的是这种情况一定发生在发送起始位的时候，也就是说在发送完起始位之后应该判断此位是否为1；

• SRW(bit2)：从机读写状态位，当 I2C 作为从机的时候使用，此位用来表明主机发送给从机的是读还是写命令。为 0 的时候表示主机要向从机写数据，为 1 的时候表示主机要从从机读取数据；

• IIF(bit1)： I2C 中断挂起标志位，当为 1 的时候表示有中断挂起，此位需要软件清零；

• RXAK(bit0)：应答信号标志位，无论作为主机还是从机，为 0 的时候表示接收到 ACK 应答信号，为1 的话表示检测到 NO ACK 信号。

最后一个寄存器就是 I2Cx_I2DR，这是 I2C 的数据寄存器，此寄存器只有低 8 位有效，当要发送数据的时候将要发送的数据写入到此寄存器，注意此时LSB代表的是数据流向，需要按照实际情况设置为1或者0；如果要接收数据的话直接读取此寄存器即可得到接收到的数据。

本次实验中我们通过 I.MX6ULL 的 I2C1 来写AT24C02，为完成这个实验，需要大家使用杜邦线外接AT24C02，如下图，我们需要连接4根线：电源、地、 SCL和SDA。查阅AT24C02手册可以看出24C02的供电电压从1.8~5.5V之间，电压越高速度越快，由于I.MX6ULL芯片本身供电是3.3V，所以我们接3.3V电源。查阅I.MX6ULL手册可以看出，该芯片UART4_RX是可以复用I2C1_SDA的， UART4_TX是可以复用I2C1_SCL的，因此24C02的SCL接43号针脚， SDA接SDA针脚。