基于IMX6ULL芯片--I2C总线简单应用
I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间总线）
是由飞利浦（现恩智浦 / NXP）开发的一种同步串行通信总线（有时钟线，数据线只有一根），核心特点是 “两根线实现多设备互联”，广泛应用于芯片间近距离数据传输场景，如嵌入式系统中单片机与传感器（温湿度、加速度）、存储芯片（EEPROM）、显示驱动芯片等的通信。
相较于 UART（需 TX/RX 交叉连接，多设备通信需多组线），I2C 的核心优势是 **“总线共享”**—— 仅通过 SDA（Serial Data，串行数据线）和 SCL（Serial Clock，串行时钟线）两根线，即可实现 “1 个主设备（如单片机）控制多个从设备（如多个传感器）”，极大简化了硬件布线。
一、I2C 的核心组成：2 根线 + 主从架构
1. 硬件线路（仅 2 根核心线，均需上拉电阻）
I2C 的两根线均为双向信号线，且必须通过上拉电阻（通常 4.7kΩ~10kΩ）连接到电源（如 3.3V 或 5V，与设备供电一致），默认处于高电平状态，具体作用如下：
- SDA（串行数据线）：用于传输实际数据（双向，主设备和从设备均可发送 / 接收）；
- SCL（串行时钟线）：用于同步数据传输节奏（由主设备独占生成，从设备被动跟随时钟信号采样数据，确保收发时序一致）。
为什么需要上拉电阻
上拉电阻的核心作用，是解决开漏 / 开集输出‘只能拉低、不能主动输出高电平’的问题：当设备不需要输出低电平时，上拉电阻将信号线拉到电源电压（稳定高电平，确保总线默认状态不悬空）；当设备需要输出低电平时，直接把信号线拉到 GND 即可，无需担心冲突
上拉电阻核心作用总结表（基于开漏 / 开集输出与线与逻辑）
| 应用场景分类 | 核心作用 | 具体原理与说明 | 典型示例 |
|---|---|---|---|
| 针对开漏 / 开集输出 | 1. 提供默认高电平，消除悬空态 | 开漏 / 开集输出仅能拉低电平（逻辑 0），晶体管截止时信号线悬空（电平不确定）；上拉电阻将信号线接电源，截止时提供电流回路，把信号线拉至电源电压（稳定逻辑 1），实现 0/1 逻辑全覆盖，避免误触发。 | 单片机 GPIO 开漏输出的按键检测（按键未按时，GPIO 通过上拉电阻保持高电平） |
| 2. 限流保护，防止芯片烧毁 | 开漏 / 开集输出导通时，信号线直接接 GND；上拉电阻串联在电源与信号线之间，将回路电流限制在安全范围（如 3.3V/4.7kΩ≈0.7mA），避免短路大电流烧毁晶体管或芯片引脚。 | I2C 总线 SDA/SCL 线的上拉电阻（防止设备导通时过流） | |
| 针对线与逻辑 | 1. 统一总线高电平基准，确保逻辑一致 | 总线上只要有一个设备将信号线拉低（输出逻辑 0），整个总线的电平就为 0；只有当所有设备都不拉低信号线（即均处于高电平状态），总线电平才为 1，简单来说就是 “有 0 出 0，全 1 出 1”。 | I2C 总线多从设备通信（所有设备共享 SDA/SCL，高电平状态统一） |
| 2. 实现多设备无冲突协作 | 开漏输出 “仅能拉低”+ 上拉电阻 “统一供高电平”，避免 “设备 A 输出 1、设备 B 输出 0” 的短路冲突；设备需发 0 时拉低总线，无需发时截止，不影响总线状态，实现多设备共享总线且无硬件冲突。 | I2C 总线中主设备与多个从设备的数据传输（仅地址匹配的从设备拉低总线响应，其他设备截止） |
注意：
- I2C 总线的 SDA/SCL 线：必须接 4.7kΩ~10kΩ 上拉电阻，确保总线默认处于高电平，只有设备需要通信时才拉低 SDA/SCL 生成启动信号；
- 上拉电阻过小时，驱动不足
- 上拉电阻过大时，会发生开漏
2. 主从架构（1 主多从，从设备靠地址区分）
I2C 采用严格的 “主从通信架构”，规则如下：
- 主设备（Master）：唯一的 “控制方”，负责：
- 发起通信（拉低 SDA 启动信号）；
- 生成 SCL 时钟信号；
- 发送从设备地址（选择要通信的从设备）；
- 决定数据传输方向（主→从，或从→主）；
- 终止通信（释放 SDA 生成停止信号）。
- 从设备（Slave）：被动响应方，每个从设备都有一个唯一的 7 位或 10 位地址（出厂时固化或可通过引脚配置），仅当主设备发送的地址与自身地址匹配时，才会响应通信，避免多设备冲突。
示例：一个 STM32 单片机（主设备）通过 I2C 总线连接了 2 个传感器（A 和 B），主设备要给传感器 A 发指令时，会先在 SDA 上发送 “A 的地址”，只有 A 会响应，B 则忽略该地址，不参与通信。
二、I2C 的通信时序：从 “启动” 到 “停止” 的完整流程
空闲时：SDA和SCL都要保持高电平
I2C 的数据传输以 “帧” 为单位，每帧包含 “启动信号→从设备地址 + 读写位→ACK 应答→数据→停止信号”，时序严格且固定，是确保通信正确的核心，具体步骤如下：
1. 1. 启动信号（Start Condition）：通信开始的标志
- 时序要求：在SCL 保持高电平时，SDA 从高电平 “快速拉低”（下降沿）；
- 作用：告知总线上所有从设备 “主设备要开始通信了，请准备接收地址”，此时所有从设备会开始监听 SDA 线的后续数据。（总线仲裁）
2. 2. 从设备地址 + 读写位（7 位地址 + 1 位 R/W）：选择目标设备与传输方向
- 共 8 位数据，传输顺序为 “高位在前（MSB first）”：
- 前 7 位：从设备的唯一地址（如温湿度传感器 SHT30 的默认地址为 0x44）；
- 第 8 位：读写控制位（R/W bit）：
- 0 = 写操作（主设备→从设备，如主设备给从设备发配置指令）；
- 1 = 读操作（从设备→主设备，如主设备读取从设备的测量数据）。
- 从设备响应：所有从设备会将接收到的 7 位地址与自身地址对比，仅地址匹配的从设备会在第 8 位传输完成后，主动将 SDA 拉低（生成 ACK 信号），告知主设备 “地址已匹配，可继续传输数据”。
3. 3. ACK 应答信号（Acknowledge）：确保数据被接收
I2C 的每 8 位数据（地址或数据）传输完成后，都需要 “应答” 来确认数据是否被正确接收，分为两种情况：
- ACK（确认应答）：接收方（地址匹配的从设备，或读操作时的主设备）在第 8 位数据传输完成后，将 SDA 拉低，并在 SCL 高电平时保持低电平；
- NACK（非确认应答）：接收方不拉低 SDA（SDA 保持高电平），通常表示 “数据接收完成” 或 “接收错误”（如读操作时主设备已获取所有需要的数据，会发送 NACK 告知从设备 “停止发送”）。
- 注意：应答位的 SCL 时钟仍由 主设备 生成，接收方仅需控制 SDA 电平。
4. 4. 数据传输（Data）：实际数据的收发
- 时序要求：仅在 SCL 为低电平时，SDA 允许改变电平（准备数据）；在 SCL 为高电平时，SDA 必须保持稳定（接收方此时采样数据，确保数据准确）；
- 传输单位：每次传输 8 位数据（1 字节），高位在前，每传输 1 字节后，都需要一次 ACK/NACK 应答；
- 方向灵活：根据 “读写位” 决定方向，写操作时主设备发数据、从设备应答；读操作时从设备发数据、主设备应答。
5. 5. 停止信号（Stop Condition）：通信结束的标志
- 时序要求：在SCL 保持高电平时，SDA 从低电平 “快速拉高”（上升沿）；
- 作用：告知所有从设备 “本次通信结束”，总线恢复到默认的高电平状态，等待下一次启动信号。
用外部 I2C 从设备（如温湿度传感器 SHT30、EEPROM 芯片 AT24C02 等）内部的功能寄存器地址。例如： SHT30 传感器内部有 “测量命令寄存器”“配置寄存器”，其地址由传感器厂商定义（如 0x2C 表示某种测量模式的寄存器地址）。 AT24C02（EEPROM）的reg_addr是存储单元的地址（0x00~0xFF），用于指定要读写的存储位置。
三、两种不同的方式
2. 常见问题与排查方向
问题 1：通信无响应（从设备不发 ACK）排查：① 上拉电阻是否焊接（或阻值是否合适）；② 主设备发送的从设备地址是否正确（注意 7 位地址 vs 8 位地址，部分芯片需左移 1 位）；③ SDA/SCL 线路是否接反或接触不良。
问题 2：数据错误（读取值异常）排查：① SCL 时钟速率是否超过从设备支持的最大速率（如低速传感器不支持快速模式 400kbps）；② 时序是否严格（尤其是 SDA 在 SCL 高电平时是否稳定）；③ 电源是否稳定（电压波动可能导致信号干扰）。
问题 3：多从设备冲突排查：确保所有从设备的 I2C 地址唯一，若地址重复，需通过芯片引脚（如 A0/A1）重新配置地址，或更换不同地址的芯片型号。
以下是 I2C 相关核心寄存器的总结，按功能分类梳理其关键作用和位定义：
一、地址与波特率配置寄存器
| 寄存器名称 | 核心功能 | 关键位说明 |
|---|---|---|
| I2Cx_IADR | 从设备地址存储 | - ADR(bit7:1)：7 位有效，用于保存本设备作为 I2C 从机时的地址。访问从设备时，需将目标设备地址写入此位（仅从模式下有效）。 |
| I2Cx_IFDR | 波特率设置 | - IC(bit5:0)：6 位分频系数控制位，通过配置不同值设定 I2C 通信波特率（需参考手册固定分频表）。例：时钟源 66MHz 时，IC=0X15（640 分频），波特率≈100KHz（66MHz/640≈103.125KHz）。 |
二、控制寄存器（I2Cx_I2CR）：配置通信模式与行为
| 位编号 | 位名称 | 功能说明 |
|---|---|---|
| bit7 | IEN | I2C 使能位：1 = 使能 I2C 模块，0 = 关闭 I2C 模块。 |
| bit6 | IIEN | 中断使能位：1 = 允许 I2C 中断（如传输完成、仲裁丢失等），0 = 禁止中断。 |
| bit5 | MSTA | 主从模式选择：1 = 主设备模式，0 = 从设备模式。 |
| bit4 | MTX | 传输方向控制：1 = 发送数据（写操作），0 = 接收数据（读操作）。 |
| bit3 | TXAK | 应答信号控制：0 = 发送 ACK（确认接收），1 = 发送 NACK（不确认接收）。 |
| bit2 | RSTA | 重复起始位：1 = 生成重复起始信号（用于连续通信时切换读写方向，无需先发送停止信号）。 |
三、状态寄存器（I2Cx_I2SR）：反馈通信状态与结果
| 位编号 | 位名称 | 功能说明 |
|---|---|---|
| bit7 | ICF | 数据传输完成标志：1 = 当前字节传输完成，0 = 传输中（需等待此位为 1 再进行下一步操作）。 |
| bit6 | IAAS | 地址匹配标志：1 = 检测到总线上的地址与 I2Cx_IADR 中存储的从地址匹配（从模式下有效）。 |
| bit5 | IBB | 总线忙标志：1=I2C 总线正在被使用（有数据传输），0 = 总线空闲（可发起通信）。 |
| bit4 | IAL | 仲裁丢失标志：1 = 多主设备竞争总线时本设备仲裁失败（自动切换为从接收模式，需软件清零）。 |
| bit2 | SRW | 从机读写状态：从模式下有效，0 = 主机要向从机写数据，1 = 主机要从从机读数据。 |
| bit1 | IIF | 中断挂起标志：1 = 存在未处理的 I2C 中断（如传输完成、地址匹配等），需软件清零。 |
| bit0 | RXAK | 应答检测标志：0 = 接收到 ACK 信号，1 = 接收到 NACK 信号（判断数据是否被对方正确接收）。 |
四、数据寄存器（I2Cx_I2DR）：收发数据的缓冲区
- 功能：用于存储待发送或刚接收的数据，仅低 8 位有效。
- 发送时：将待传输的 8 位数据写入此寄存器（高位在前，LSB 根据协议要求设置）；
- 接收时：从该寄存器读取接收到的 8 位数据。
总结
I2C 寄存器可分为配置类（地址、波特率、模式控制）、状态类（传输进度、总线状态、应答反馈）和数据类（数据缓冲区），通过配置这些寄存器可实现 I2C 主 / 从模式切换、数据收发控制及通信状态监控，是 I2C 硬件驱动开发的核心操作对象。
基于IMAX6ULL的I2C总线配置：
#include "i2c.h"
#include "/home/linux/IMAX6ULL/I2C/imx6ull/fsl_iomuxc.h"
#include "stdio.h"
#include"gpt.h"
//I2CR
#define I2CR_IEN (1 << 7) //I2C使能位（0：使能且复位， 1：使能）
#define I2CR_MSTA (1 << 5) //主从模式选择位（0->1:主 产生start, 1->0:从 产生stop）
#define I2CR_MTX (1 << 4) //发送/接收模式选择位（0：接收 1：发送）
#define I2CR_TXAK (1 << 3) //应答类型 （0：应答ACK, 1: 应答NACK）
#define I2CR_RSTA (1 << 2) //重发start信号（0->1:Repeat start.）
//I2SR
#define I2SR_ICF (1 << 7) //数据传输位（0：正在传输 1：传输已完成）
#define I2SR_IBB (1 << 5) //总线忙碌状态（0：空闲 1：忙碌）
#define I2SR_IAL (1 << 4) //仲裁丢失标志（0：正常 1：仲裁丢失）
#define I2SR_IIF (1 << 1) //中断标志（0：未产生 1：产生 ）写0清0
#define I2SR_RXAK (1 << 0) //接收到的应答类型（0：ACK 1:NACK）void i2c_init(I2C_Type *base)
{IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 1);IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 1); IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 0x10B0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 0x10B0);//失能并复位I2Cbase->I2CR &= ~I2CR_IEN;//配置分频系数base->IFDR = 0x15;//使能I2Cbase->I2CR |= I2CR_IEN;
}int i2c_wait_iif(I2C_Type *base)
{while ((base->I2SR & I2SR_IIF) == 0){//可以设计超时}base->I2SR &= ~I2SR_IIF;if ((base->I2SR & I2SR_RXAK) != 0){printf("NACK\n");return -1;}printf("ACK\n");return 0;
}void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char *data, int len)
{int status;//0.清除IIF IAL，设置发送模式base->I2SR &= ~((I2SR_IIF | I2SR_IAL)); base->I2CR |= I2CR_MTX;//1.产生start信号base->I2CR |= I2CR_MSTA;//2.发送从机地址及数据流向位base->I2DR = ((dev_addr << 1) | 0);status = i2c_wait_iif(base);if (status != 0) goto stop;//3.发送寄存器地址base->I2DR = reg_addr;status = i2c_wait_iif(base);if (status != 0) goto stop;int i = 0;for(; i < len; i++){base->I2DR = data[i];status = i2c_wait_iif(base);if (status != 0) goto stop;}
stop://产生stop信号base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;//总线空闲状态检测 while((base->I2SR & I2SR_IBB) != 0){//可以设计超时}
}四、I2C 与 UART 的核心区别（选择参考）
在嵌入式开发中，I2C 和 UART 是最常用的两种串行通信协议，需根据场景选择，核心区别如下：
| 对比维度 | I2C | UART |
|---|---|---|
| 线路数量 | 2 根（SDA+SCL，需上拉） | 2 根（TX+RX，无需上拉） |
| 主从架构 | 必须（1 主多从） | 无（对等通信，需交叉连接 TX/RX） |
| 设备区分方式 | 从设备地址 | 硬件线路（1 对 TX/RX 对应 1 个设备） |
| 速率 | 最高 3.4Mbps（高速模式） | 最高通常 1Mbps（受电平干扰限制） |
| 传输距离 | 短（<1 米） | 较短（<10 米，TTL 电平） |
| 典型应用 | 板载芯片间通信（传感器、EEPROM） | 设备间近距离通信（模块、电脑） |
总结
I2C 是一种 “高效、简洁” 的芯片间通信总线，凭借 “两根线 + 多从设备” 的优势，成为嵌入式系统中传感器、存储芯片等板载设备的首选通信方案。理解其主从架构、时序规则和上拉电阻的作用，是掌握 I2C 通信的核心，也是排查实际开发中通信问题的关键基础。