在嵌入式系统中，I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种高效的同步串行通信协议，凭借两线制（SDA 数据线 + SCL 时钟线）、主从架构、多设备组网等优势，广泛应用于 EEPROM、传感器、OLED 显示屏等外设通信场景。

一、I2C 核心概念

1.1 I2C 协议核心特性

I2C 的核心是 “时序约定” 与 “总线规则”。

  • 总线结构：仅需两根线（SDA 串行数据线、SCL 串行时钟线），所有设备共享总线，支持多主多从模式；
  • 通信类型：同步通信、半双工；
  • 寻址方式：7 位从机地址（支持 128 个设备）+1 位读写方向位（0 = 写，1 = 读），共 8 位构成通信起始的地址帧。

1.2 总线关键特性

I2C 总线能实现多设备共享，核心依赖 “开漏输出” 与 “上拉电阻” 的组合。

1.2.1 线与逻辑

当多个设备连接到 SDA/SCL 总线时，总线实际电平由 “所有设备输出的最小值” 决定：

设备 A 输出设备 B 输出总线实际电平说明
高电平（1）高电平（1）高电平（1）无设备拉低总线
高电平（1）低电平（0）低电平（0）任一设备拉低，总线即低
低电平（0）高电平（1）低电平（0）任一设备拉低，总线即低
低电平（0）低电平（0）低电平（0）多设备同时拉低，无冲突
1.2.2 推挽模式与开漏模式

I2C 总线必须使用开漏输出模式，二者区别如下：

序号MOS1MOS2pad电平
1高电平（1）低电平（0）高电平（1）
2低电平（0）高电平（1）低电平（0）
3低电平（0）低电平（0）高阻态 / 悬空态
4高电平（1）高电平（1）不允许
模式控制逻辑核心优势适用场景
推挽1、2共同作用（1：推 / 2：挽）驱动能力强，速度快GPIO 输出（如 LED）
开漏2、3共同作用支持线与逻辑，多设备共享总线I2C 总线（SDA/SCL）

注意：I2C 总线需外接 4.7k~10kΩ 上拉电阻到 3.3V，确保高阻态时总线为高电平。

1.3 I2C 核心通信时序

1.3.1 开始信号
  • 条件：总线空闲时（SDA、SCL 均为高电平）；
  • 动作：SCL 保持高电平时，SDA 产生下降沿；
  • 意义：通知所有从设备，主机即将开始通信。
1.3.2 终止信号
  • 条件：SCL 为高电平时；
  • 动作：SDA 产生上升沿；
  • 意义：通知所有从设备，通信结束，总线恢复空闲。
1.3.3 数据传输规则
  • 数据位：每帧 8 位，按MSB（最高位）优先传输；
  • 时钟同步：
    • SCL 为低电平时，只允许发送方改变数据 SDA 线，接收方不得采样 SDA。
    • SCL 为高电平时，只允许接收方采样数据 SDA 线，发送方需保证 SDA 稳定。
1.3.4 应答机制
  • 每传输 1 字节（8 位）后，紧跟 1 位应答位（第 9 位）；
  • ACK（应答）：接收方拉低 SDA（电平 0），表示成功接收数据；
  • NACK（非应答）：接收方不拉低 SDA（电平 1），表示接收失败或无需继续接收（如读操作最后 1 字节）。

二、底层驱动实现

2.1 核心寄存器宏定义

先定义 I2C 控制器关键寄存器的位掩码，简化代码编写，避免直接写魔法数：

// I2C控制寄存器（I2CR）关键位
#define I2CR_IEN    (1 << 7)  // I2C使能位：1=使能，0=失能（复位状态）
#define I2CR_MSTA   (1 << 5)  // 主从模式选择：1=主机模式（产生Start/Stop），0=从机模式
#define I2CR_MTX    (1 << 4)  // 收发模式选择：1=发送模式，0=接收模式
#define I2CR_TXAK   (1 << 3)  // 应答类型控制：1=发送NACK，0=发送ACK
#define I2CR_RSTA   (1 << 2)  // 重发起始信号：1=产生Repeat Start
 
// I2C状态寄存器（I2SR）关键位
#define I2SR_ICF    (1 << 7)  // 数据传输完成标志：1=传输完成
#define I2SR_IBB    (1 << 5)  // 总线忙标志：1=总线忙，0=总线空闲
#define I2SR_IAL    (1 << 4)  // 仲裁丢失标志：1=失去总线仲裁（多主机冲突）
#define I2SR_IIF    (1 << 1)  // 中断标志：1=产生中断（传输1字节完成）
#define I2SR_RXAK   (1 << 0)  // 接收应答标志：1=接收NACK，0=接收ACK

2.2 I2C 初始化函数

初始化流程：引脚配置 → I2C 控制器复位 → 时钟配置 → 使能 I2C，确保控制器处于就绪状态：

void i2c_init(I2C_Type *base)
{
  // 引脚复用配置
  IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 1);  // 复用为I2C1_SDA
  IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 1);  // 复用为I2C1_SCL
  
  // 电气特性配置
  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 0x10B0);
  IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 0x10B0);
  
  // 复位I2C控制器
  base->I2CR &= ~I2CR_IEN;
  
  // 配置I2C时钟频率
  base->IFDR = 0x15;
  
  // 使能I2C控制器
  base->I2CR |= I2CR_IEN;
}

2.3 应答等待函数

用于等待 1 字节传输完成，并检查从机应答状态，是 I2C 通信的 “时序同步核心”：

int wait_i2c_iif(I2C_Type *base)
{
  uint32_t timeout = I2C_TIMEOUT_MS * 1000; // 超时计数（微秒级）
  // 等待IIF标志置1（1字节传输完成）
  while ((base->I2SR & I2SR_IIF) == 0)
  {
    // 设计超时机制
    timeout--;
    if(timeout == 0)
    {
      return -2; // 超时错误
    }
    delay_us(1);
  }
  
  // 清除IIF中断标志（写0清除）
  base->I2SR &= ~I2SR_IIF;
  
  // 检查RXAK标志：1=从机回复NACK（通信失败），0=ACK（成功）
  if ((base->I2SR & I2SR_RXAK) != 0)
  {
    return -1;  // 应答失败
  }
  return 0;  // 应答成功
}

2.4 I2C 写操作函数

I2C 写操作流程如下：

写操作流程图

代码实现：

// 宏定义：启用AT24C02页写入适配
#define AT24C02 1
 
void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, unsigned short reg_addr, int reg_len, unsigned char *data, unsigned int len)
{
  int stat = 0;
  // 0. 清除IAL（仲裁丢失）、IIF（中断标志）
  base->I2SR &= ~(I2SR_IAL | I2SR_IIF);
 
  // 1. 设置为主机发送模式
  base->I2CR |= I2CR_MTX;
 
  // 2. 发送起始信号（MSTA=1表示主机模式）
  base->I2CR |= I2CR_MSTA;
 
  // 3. 发送设备地址 + 写位（最低位0表示写）
  base->I2DR = (dev_addr << 1) | 0;
  stat = wait_i2c_iif(base);
  if (stat != 0)
    goto stop; // 无应答/超时，直接停止
 
  // 4. 发送寄存器地址（支持多字节寄存器地址，适配不同设备）
  int i = reg_len - 1;
  for (; i >= 0; i--)
  {
    base->I2DR = (reg_addr >> (i * 8)) & 0xFF;
    stat = wait_i2c_iif(base);
    if (stat != 0)
      goto stop;
  }
 
  // 5. 发送数据（核心：适配AT24C02页写入）
  for (i = 0; i < len; i++)
  {
    base->I2DR = data[i];
    stat = wait_i2c_iif(base);
 
#if AT24C02
    // AT24C02每8字节一页，超过页边界需重启通信
    if (((reg_addr + (i + 1)) % 8) == 0 && ((i + 1) < len))
    {
      // 5.1 发送停止信号，等待EEPROM写入完成
      base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;
      delay_ms(5);
 
      // 5.2 重新发送起始信号
      base->I2CR |= I2CR_MSTA;
 
      // 5.3 重新发送设备地址+写位
      base->I2DR = ((dev_addr << 1) | 0);
      stat = wait_i2c_iif(base);
      if (stat != 0)
        goto stop;
 
      // 5.4 重新发送新的寄存器地址（跨页后的地址）
      int j = reg_len - 1;
      for (; j >= 0; j--)
      {
        base->I2DR = ((reg_addr + (i + 1)) >> (j * 8)) & 0xFF;
        stat = wait_i2c_iif(base);
        if (stat != 0)
          goto stop;
      }
    }
#endif
    if (stat != 0)
      goto stop;
  }
 
stop:
  // 发送停止信号，等待总线空闲
  base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;
  while ((base->I2SR & I2SR_IBB) != 0) // 等待IBB位清零（总线忙标志）
  {
    delay_us(1);
  }
#if AT24C02
  delay_ms(5); // AT24C02写入后需要等待数据固化
#endif
}

核心逻辑解析：

  • 起始信号 + 设备地址：I2C 通信的第一步是发送起始信号，然后是设备地址（左移 1 位，最低位表示读写）；
  • 寄存器地址发送：支持多字节寄存器地址（如 reg_len=2 时适配 16 位寄存器）；
  • AT24C02 页写入：每 8 字节为一页，当 (寄存器地址+已发送字节数)%8==0 且未发完数据时，需停止→等待→重新起始→发送新地址，避免跨页写入失败；
  • 停止信号：通信结束后必须发送停止信号，释放 I2C 总线。

2.5 I2C 读操作函数

I2C 读操作流程如下：

读操作流程

代码实现：

void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, unsigned short reg_addr, int reg_len, unsigned char *data, unsigned int len)
{
  int stat = 0;
  // 0. 清除标志位
  base->I2SR &= ~(I2SR_IAL | I2SR_IIF);
 
  // 1. 第一步：伪写（发送寄存器地址，为读取做准备）
  base->I2CR |= I2CR_MTX;  // 发送模式
  base->I2CR |= I2CR_MSTA; // 起始信号
  // 1.1 发送设备地址+写位
  base->I2DR = (dev_addr << 1) | 0;
  stat = wait_i2c_iif(base);
  if (stat != 0)
    goto stop;
  // 1.2 发送寄存器地址
  int i = reg_len - 1;
  for (; i >= 0; i--)
  {
    base->I2DR = (reg_addr >> (i * 8)) & 0xFF;
    stat = wait_i2c_iif(base);
    if (stat != 0)
      goto stop;
  }
 
  // 2. 第二步：重新发起起始信号，切换为读模式
  base->I2CR |= I2CR_RSTA; // 重发起始信号
  // 2.1 发送设备地址+读位（最低位1表示读）
  base->I2DR = ((dev_addr << 1) | 1);
  stat = wait_i2c_iif(base);
  if (stat != 0)
    goto stop;
 
  // 3. 切换为接收模式，配置应答策略
  base->I2CR &= ~I2CR_MTX; // 接收模式
  if (len > 1)
  {
    base->I2CR &= ~I2CR_TXAK; // 多字节读取：除最后一个字节外，发送ACK
  }
  else
  {
    base->I2CR |= I2CR_TXAK;  // 单字节读取：直接发送NACK
  }
 
  // 4. 伪读：触发第一次数据接收（IMX6ULL I2C控制器要求）
  data[0] = base->I2DR;
 
  // 5. 循环读取数据
  for (i = 0; i < len; i++)
  {
    stat = wait_i2c_iif(base);
    // 倒数第二个字节时，切换为NACK（告知从机停止发送）
    if (i == len - 2)
    {
      base->I2CR |= I2CR_TXAK;
    }
    // 最后一个字节时，切换为发送模式，准备停止
    if (i == len - 1)
    {
      base->I2CR |= I2CR_MTX;
    }
    data[i] = base->I2DR; // 读取数据
    if (stat != 0)
      goto stop;
  }
 
stop:
  // 发送停止信号，释放总线
  base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;
  while ((base->I2SR & I2SR_IBB) != 0)
  {
    delay_us(1);
  }
}

核心难点解析：

  • 伪写阶段：I2C 读操作必须先告知从机 “要读哪个寄存器”，因此需要先写寄存器地址；
  • 重发起始信号：从 “写模式” 切换到 “读模式” 需重新发送起始信号，避免总线释放；
  • 应答策略：I2C 协议规定，主机接收数据后需发送 ACK/NACK—— 多字节读取时，最后一个字节必须发 NACK，否则从机会继续发送数据；
  • 伪读操作：IMX6ULL 的 I2C 控制器需要先读一次 I2DR 寄存器，才能触发后续的数据接收流程。

2.6 封装通用接口

为了简化调用，封装 transfer 函数，通过 I2C_Msg 结构体统一管理读写参数：

2.6.1 定义 I2C_Msg 结构体
// i2c.h中添加
typedef enum
{
  I2C_Write = 0,
  I2C_Read
} I2C_Dir;
 
typedef struct
{
  unsigned char dev_addr; // 设备地址
  unsigned short reg_addr; // 寄存器地址
  int reg_len; // 寄存器地址长度（1/2字节）
  unsigned char *data; // 数据缓冲区
  unsigned int len; // 数据长度
  I2C_Dir dir; // 读写方向
} I2C_Msg;
2.6.2 transfer 函数实现
void transfer(I2C_Type *base, struct I2C_Msg *msg)
{
  if (base == NULL || msg == NULL)
  {
    return; // 参数校验
  }
 
  if (msg->dir == I2C_Write)
  {
    i2c_write(base, msg->dev_addr, msg->reg_addr, msg->reg_len, msg->data, msg->len);
  }
  else
  {
    i2c_read(base, msg->dev_addr, msg->reg_addr, msg->reg_len, msg->data, msg->len);
  }
}

三、实战：读取 LM75 温度传感器

3.1 代码实现

#include "lm75.h"
#include "i2c.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
 
float get_lm75_temp(void)
{
  unsigned char read_buff[32] = {0};
  struct I2C_Msg lm75_msg =
  {
    .dev_addr = 0x48,
    .reg_addr = 0x00,
    .reg_len = 1,
    .data = read_buff,
    .len = 2,
    .dir = I2C_Read
  };
 
  printf("start:LM75\n");
  transfer(I2C1, &lm75_msg); // 调用通用接口读取数据
 
  // LM75温度数据解析：11位有效数据，分辨率0.5℃
  unsigned short temp = (read_buff[0] << 8) | (read_buff[1] << 0);
  temp = temp >> 7; // 右移7位，提取有效温度值
  printf("lm75: temp = %u\n", temp);
  float ftemp = temp * 0.5; // 转换为实际温度
  return ftemp;
}

3.2 主函数调用

int main(void)
{
  system_interrupt_init();
  clock_init();
  beep_init();
  led_init();
  key_init();
  gpt1_init();
  uart1_init();
  i2c_init(I2C1); // 初始化I2C1
 
  while (1)
  {
    float ftemp = get_lm75_temp();
    int n = (int)(ftemp * 100) / 100; // 整数部分
    int m = (int)(ftemp * 100) % 100; // 小数部分
    printf("temp = %d.%d\n", n, m);
    delay_ms(100); // 100ms读取一次
  }
  return 0;
}

四、总结

        本文基于 IMX6ULL 实现了完整的 I2C 读写驱动，重点讲解了写操作的 AT24C02 页适配、读操作的 “伪写 - 重读” 逻辑，以及通用 transfer 接口的封装。通过 LM75 温度传感器的实战验证，完整覆盖了 I2C 驱动开发的核心要点。

        这套驱动框架可直接适配大多数 I2C 设备，只需修改dev_addr、reg_addr等参数即可快速移植，是嵌入式 I2C 开发的通用方案。

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参考github网址：https://github.com/OpenDriveLab/UniAD/tree/v2.0参考readme：https://gitcode.com/Ascend/DrivingSDK/blob/master/model_examples/UniAD/README.md。

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