IMX6ULL 平台 I2C 总线：从硬件原理到裸机驱动

在嵌入式开发中，I2C 是最常用的低速串行外设总线，凭借两根线即可实现多设备挂载，广泛用于 EEPROM、温度传感器、RTC、OLED 等外设的驱动开发。本文基于 IMX6ULL 平台，从硬件底层原理、总线协议规范，到裸机驱动实现、外设驱动练习的全流程讲解，所有代码均来自实际工程，兼顾通用性与可移植性。

开始之前：首先要知道I2C的类型：同步串行半双工

一、I2C 硬件核心：开漏输出与线与特性

I2C 总线的所有特性，都建立在开漏输出 + 线与特性的基础上。

1.1 线与特性：多设备挂载的基础

I2C 总线支持多设备挂载的核心，就是它的线与特性：当总线上多个设备同时输出电平时，只要有一个设备拉低总线，总线电平就为低；只有所有设备都输出高电平，总线才会呈现高电平。

表格

chipA 输出	chipB 输出	总线实际电平
1	0	0
0	1	0
1	1	1
0	0	0

这个特性决定了 I2C 总线不会出现多个设备同时输出高低电平导致的短路问题，也是多主机、多从机通信的硬件基础。

1.2 推挽输出和开漏输出

线与特性无法通过常用的推挽输出实现，必须使用开漏输出，我们先看两种输出模式的本质区别：

推挽输出（1.和2两种情况）

推挽输出由两个 MOS 管交替导通实现：

上管 mos1 导通、下管 mos2 截止：输出强高电平
上管 mos1 截止、下管 mos2 导通：输出强低电平

它的优势是高低电平驱动能力都很强，但致命问题是无法实现线与：如果两个推挽输出引脚接在一起，一个输出高、一个输出低，会直接形成 VCC 到 GND 的直流通路，烧毁芯片。因此推挽输出绝对不能用于 I2C 总线。

开漏输出（1和3两种情况）

开漏输出仅保留了推挽结构的下管 mos2，上管完全断开，高电平必须依靠外部上拉电阻实现：

mos2 导通：引脚拉到 GND，输出低电平
mos2 截止：引脚进入高阻态，电平由外部上拉电阻拉到 VCC

这种模式完美适配线与特性：所有设备都只能拉低总线，高电平靠公共上拉电阻实现，不会出现短路问题，这也是 I2C 总线必须使用开漏输出 + 外部上拉电阻的核心原因。

1.3 硬件设计关键要点

上拉电阻选型：标准 100kHz 速率推荐 4.7kΩ，范围一般在 4.7k~10kΩ 之间。阻值过小会导致总线电流过大、功耗升高；阻值过大会导致信号上升沿过缓，影响时序稳定性且驱动能力太弱了。
电平兼容：开漏输出天然支持跨电平域通信，比如 IMX6ULL 的 3.3V 引脚和 51 单片机的 5V 引脚，只要把上拉电阻接到目标电平域，即可实现安全的电平匹配，无需额外的电平转换芯片，因为高电平由上拉电阻确定，与芯片工作电压无关，所以适配能力强。

二、I2C 总线协议规范：驱动编写的时序基础

I2C 是同步、串行、半双工总线，仅靠 SCL（串行时钟线）和 SDA（串行数据线）两根线完成通信，所有传输都严格遵循时序规范。

2.1 核心时序信号

完整的 I2C 通信由起始信号、数据传输、应答、停止信号四个核心部分组成，时序如下：

1. 起始信号（Start）

总线空闲时（SCL、SDA 均为高电平），主机在 SCL 为高电平期间，将 SDA 从高电平拉低，产生起始信号。起始信号由主机发起，起始信号产生后，总线进入忙状态，其他设备不能再发起通信。

2. 停止信号（Stop）

主机在 SCL 为高电平期间，将 SDA 从低电平拉高，产生停止信号。停止信号由主机发起，停止信号产生后，总线回到空闲状态，释放总线控制权。

3. 数据传输规则

数据位宽：每次传输 1 个字节（8bit），遵循MSB 优先（高位在前）的传输顺序。
时序约束：SCL 低电平时，发送方才可以改变 SDA 的电平；SCL 高电平时，SDA 必须保持稳定，接收方在此期间采样 SDA 电平。这是 I2C 通信的核心规则，时序搞反必然导致数据采样错误。

4. 应答信号（ACK/NACK）

每传输完 8bit 数据，会占用第 9 个时钟周期传输应答信号，确保接收方成功收到数据：

ACK（应答）：接收方将 SDA 拉低，表示数据接收成功。
NACK（非应答）：接收方保持 SDA 为高电平，表示数据接收失败，或主机通知从机结束读传输。

2.2 完整通信帧结构

I2C 的标准读写传输都遵循固定的帧格式，所有操作都包裹在起始和停止信号之间：

复制代码

起始信号 + 7位从机地址 + 1位读写位 + 应答 + [寄存器地址 + 应答] + 数据 + 应答 + ... + 停止信号

7 位从机地址：总线上每个从机都有唯一的 7 位地址，主机通过地址匹配目标从机。
1 位读写位：0 表示主机向从机写数据，1 表示主机从从机读数据。
寄存器地址：外设内部的寄存器地址，长度可以是 1 字节、2 字节等，由外设决定。

三、IMX6ULL I2C 裸机驱动

基于上述协议，我们实现了一套通用的 IMX6ULL I2C 裸机驱动，兼容多字节寄存器地址，支持标准 100kHz 速率，可直接适配绝大多数 I2C 外设。

3.1 核心寄存器说明

IMX6ULL 的 I2C 外设操作完全基于寄存器，核心寄存器如下：

表格

寄存器	全称	核心功能
I2CR	I2C 控制寄存器	使能外设、主从模式切换、发送 / 接收模式切换、应答配置、起始 / 停止信号生成
I2SR	I2C 状态寄存器	传输完成标志、应答状态、总线忙状态、仲裁丢失状态查询
IFDR	I2C 频率分频寄存器	配置 SCL 时钟分频系数，设置总线速率
I2DR	I2C 数据寄存器	写入数据即发起发送，读取即获取总线上收到的数据

3.2 驱动代码逐行分析

驱动分为初始化、等待函数、写操作、读操作、通用传输接口五个部分，完整代码如下：

1. 总线初始化函数

运行

复制代码

void i2c_init(I2C_Type *base)
{
    //1. 先失能I2C外设，配置必须在失能状态下执行
    base->I2CR &= ~I2CR_IEN;
    //2. 配置分频系数，设置SCL速率为100kHz
    base->IFDR = 0x15;
    //3. 使能I2C外设
    base->I2CR |= I2CR_IEN;
}

初始化必须先关闭外设，否则寄存器配置不生效；
0x15 对应 66MHz IPG 时钟分频后得到 100kHz 标准速率；
引脚复用与电气配置需要在外设初始化前完成，后续外设驱动会详细说明。

2. 传输完成等待与状态检查函数

这是所有传输的基础，负责等待单字节传输完成，并检查从机应答状态：

运行

复制代码

static int wait_i2c_iif(I2C_Type *base)
{
    // 轮询等待传输完成标志IIF置1
    while((base->I2SR & I2SR_IIF) == 0){
        // 工程化优化：此处必须添加超时机制，避免总线异常死循环
    }
    // 软件清除IIF标志位，必须手动清0
    base->I2SR &= ~I2SR_IIF;
    
    // 检查从机应答：RXAK为0表示收到ACK，为1表示无应答
    if((base->I2SR & I2SR_RXAK) == 0){
        return 0;
    } else {
        return -1;
    }
}

每发送 / 接收一个字节，IIF 位都会置 1，必须软件清除；
无应答时返回 - 1，上层可直接终止传输，避免无效操作；
工程化开发必须添加超时机制，比如软件计数器或定时器，防止总线异常时卡死。

3. 主机写操作实现

主机向从机指定寄存器地址写入数据，兼容多字节寄存器地址：

运行

复制代码

static void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, 
                      unsigned short reg_addr, int reg_len, 
                      unsigned char *data, int len)
{
    int stat = 0;
    // 0. 清除之前的仲裁丢失、传输完成标志
    base->I2SR &= ~(I2SR_IAL | I2SR_IIF);
    // 1. 设置为发送模式：接下来要发地址、寄存器、数据，都是主机发送
    base->I2CR |= I2CR_MTX;
    // 2. 置位MSTA，产生起始信号，切换为主机模式
    base->I2CR |= I2CR_MSTA;
    
    // 3. 发送7位从机地址 + 写标志位(0)
    base->I2DR = (dev_addr << 1) | 0;
    stat = wait_i2c_iif(base);
    if (stat != 0) goto stop; // 无应答直接终止
    
    // 4. 发送寄存器地址，兼容多字节地址（1/2/4字节）
    int j = reg_len - 1;
    for (; j >= 0; j--){
        // 从高字节到低字节依次发送
        base->I2DR = (reg_addr >> (j * 8));
        stat = wait_i2c_iif(base);
        if (stat != 0) goto stop;
    }
    
    // 5. 循环发送用户数据
    int i = 0;
    for (; i < len; i++){
        base->I2DR = data[i];
        stat = wait_i2c_iif(base);
        if (stat != 0) goto stop;
    }

stop:
    // 6. 清0 MSTA，产生停止信号，释放总线
    base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;
    // 等待总线空闲，确保停止信号发送完成
    while((base->I2SR & I2SR_IBB) != 0){
        // 同样建议添加超时机制
    }
}

核心优化：通过循环实现多字节寄存器地址兼容，适配 16 位地址的大容量 EEPROM、传感器等外设；
每一步传输都检查应答，异常直接跳转到停止信号，避免总线卡死；
停止信号发送后必须等待 IBB 位清 0，确保总线完全释放。

4. 主机读操作实现

主机从从机指定寄存器地址读取数据，是驱动中稍稍有点难以理解的部分，尤其是下面第十部中的两次切换：

运行

复制代码

static void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr,  
                     unsigned short reg_addr, int reg_len, 
                     unsigned char *data, int len)
{
    int stat = 0;
    // 0. 清除状态标志
    base->I2SR &= ~(I2SR_IAL | I2SR_IIF);
    // 1. 初始化为发送模式：先写寄存器地址
    base->I2CR |= I2CR_MTX;
    // 2. 产生起始信号
    base->I2CR |= I2CR_MSTA;
    
    // 3. 发送从机地址 + 写标志位：告诉从机要写寄存器地址
    base->I2DR = (dev_addr << 1) | 0;
    stat = wait_i2c_iif(base);
    if (stat != 0) goto stop;
    
    // 4. 发送寄存器地址，兼容多字节
    int j = reg_len - 1;
    for (; j >= 0; j--){
        base->I2DR = (reg_addr >> (j * 8));
        stat = wait_i2c_iif(base);
        if (stat != 0) goto stop;
    }
    
    // 5. 产生重复起始信号RSTA：切换传输方向，不释放总线
    base->I2CR |= I2CR_RSTA;
    // 6. 发送从机地址 + 读标志位(1)：告诉从机接下来主机要读数据
    base->I2DR = (dev_addr << 1) | 1;
    stat = wait_i2c_iif(base);
    if (stat != 0) goto stop;
    
    // 7. 切换为接收模式：主机准备接收从机的数据
    base->I2CR &= ~I2CR_MTX;
    // 8. 配置应答模式：多字节读取时，除最后一个字节外都回复ACK
    if (len > 1){
        base->I2CR &= ~I2CR_TXAK; // 收到数据后回复ACK
    } else {
        base->I2CR |= I2CR_TXAK;  // 仅1字节时，收到后回复NACK
    }
    
    // 9. 伪读：IMX6ULL I2C外设特性，切换接收模式后首次读触发接收
    data[0] = base->I2DR;
    
    // 10. 循环读取数据
    int i = 0;
    for (; i < len; i++){
        // 等待单字节接收完成
        stat = wait_i2c_iif(base);
        
        // 倒数第二个字节：提前设置TXAK，最后一个字节回复NACK
        if (i == (len - 2)){
            base->I2CR |= I2CR_TXAK;
        }
        // 最后一个字节：提前切换为发送模式，如果不切换的话stop信号无法正确产生，会卡死总线
        if (i == (len - 1)){
            base->I2CR |= I2CR_MTX;
        }
        
        // 读取收到的数据
        data[i] = base->I2DR;
        if (stat != 0) goto stop;
    }

stop:
    // 11. 发送停止信号，释放总线
    base->I2CR &= ~I2CR_MSTA;
    while((base->I2SR & I2SR_IBB) != 0){
        // 超时机制
    }
}

核心说明：

读操作必须先执行一次写操作，告诉从机要读取的寄存器地址，再通过重复起始信号切换读方向；
伪读是 IMX6ULL I2C 外设的强制要求，切换接收模式后必须先读一次 I2DR，才能触发第一个字节的接收，否则读不到正确数据；
必须在倒数第二个字节接收完成前，设置 TXAK 位，确保最后一个字节收到后回复 NACK，通知从机结束传输（为什么要这样呢，因为如果放在最后一个字节前的话，在我切换之前，最后一个字节数据已经接到数据寄存器中了，并且已经回复了ACK应答了，他只是还没有读取，但实际已经接到，所以需要提前）；
为什么要切换发送模式：因为如果不切换的话，当我执行完data[i] = base->I2DR，即取得最后一个字节数据时，按理说应该发送stop信号，然而由于此时处于接受状态，你一读取base->I2DR，硬件就会自动触发去接取下一次数据，然而这已经是最后一个了，他会多产生一个8+1时钟周期，导致stop信号无法正常发送，从而卡死总线

5. 通用传输接口封装

为了提升代码复用性我们将读写操作封装为统一的传输接口，通过结构体管理传输参数，上层应用无需关心底层时序：

首先定义传输消息结构体：

运行

复制代码

// 传输方向枚举
enum I2C_Dir {
    I2C_Write = 0,
    I2C_Read = 1
};

// I2C传输消息结构体
struct I2C_Msg {
    unsigned char dev_addr;  // 7位从机地址
    unsigned short reg_addr; // 从机寄存器地址
    int reg_len;             // 寄存器地址字节数
    unsigned char *data;     // 数据缓冲区
    int len;                 // 数据长度
    enum I2C_Dir dir;        // 传输方向
};

通用传输接口：

运行

复制代码

void transfer(I2C_Type *base, struct I2C_Msg *msg)
{
    // 入口参数校验
    if (base == NULL || msg == NULL)
    {
        return;
    }
    // 根据传输方向调用读写函数
    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);
    }
}

四、裸机驱动练习：

基于上述通用驱动，我们实现两个常用的 I2C 外设：AT24C02 EEPROM 和 LM75A 温度传感器，验证驱动的可用性。

4.1 AT24C02 EEPROM 驱动

AT24C02 是 2Kbit（256 字节）的 I2C 接口 EEPROM，掉电数据不丢失，常用于存储设备配置参数。

7 位从机地址：0x50（A0/A1/A2 引脚接地）
寄存器地址：1 字节（0x00~0xFF）
页写入时间：最大 5ms，写入后必须延时等待

完整驱动代码：

运行

复制代码

#include "at24c02.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "i2c.h"
#include "gpt.h"

// AT24C02初始化：引脚复用+I2C外设初始化
void at24c02_init(void)
{
    // 1. 引脚复用：UART4_RX/TX复用为I2C1_SDA/SCL
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 1);
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 1);
    // 2. 引脚电气配置：开漏模式、上拉、100MHz速率
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 0x10B0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 0x10B0);
    // 3. I2C1外设初始化
    i2c_init(I2C1);
}

// 从指定地址读取len个字节
void at24c02_read(unsigned char reg_addr, unsigned char *data, int len)
{
    struct I2C_Msg msg = {
        .dev_addr = 0x50,
        .reg_addr = reg_addr,
        .reg_len = 1,
        .data = data,
        .len = len,
        .dir = I2C_Read
    };
    transfer(I2C1, &msg);
}

// 向指定地址写入len个字节
void at24c02_write(unsigned char reg_addr, unsigned char *data, int len)
{
    struct I2C_Msg msg = {
        .dev_addr = 0x50,
        .reg_addr = reg_addr,
        .reg_len = 1,
        .data = data,
        .len = len,
        .dir =  I2C_Write
    };
    transfer(I2C1, &msg);
    // 必须延时5ms，等待EEPROM完成内部写入
    delay_ms(5);
}

4.2 LM75A 温度传感器驱动

LM75A 是数字温度传感器，测量范围 - 55℃~+125℃，广泛用于工业测温场景。

7 位从机地址：0x48
温度寄存器地址：0x00，16 位（2 字节）
数据格式：11 位二进制补码，右移 7 位后乘以 0.5 即为实际温度
浮点运算依赖 FPU，必须提前使能 Cortex-A7 的 FPU

完整驱动代码：

运行

复制代码

#include "lm75a.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "i2c.h"
#include "gpt.h"

#define LM75A_ADDR 0x48

// LM75A初始化，同AT24C02，同一总线只需初始化一次
int lm75a_init(void)
{
    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);
    i2c_init(I2C1);
    return 0;
}

// 读取当前温度，单位：℃
float lm75a_read_temperature( void)
{
    unsigned char buf[2] = {0};
    short temp = 0;
    // 填充传输消息，读取2字节温度数据
    struct I2C_Msg msg = {
        .dev_addr = LM75A_ADDR,
        .reg_addr = 0x00,
        .reg_len = 1,
        .data = buf,
        .len = 2,
        .dir = I2C_Read
    };
    transfer(I2C1, &msg);
    
    // 拼接16位数据，高字节在前，低字节在后
    temp = (buf[0] << 8) | buf[1];
    // 11位有效数据，右移7位
    temp = temp >> 7;
    // 转换为实际温度，分辨率0.5℃
    return temp * 0.5;
}

FPU 使能汇编代码（必须在启动时调用，否则浮点运算会触发硬件异常）：

asm

复制代码

enable_fpu:
    // 1. 设置CPACR寄存器，使能CP10和CP11协处理器（FPU）完全访问权限
    mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 2
    orr     r0, r0, #(0xF << 20)
    mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 2
    
    // 2. 使能FPU，设置FPEXC的EN位
    mov     r0, #0x40000000
    vmsr    fpexc, r0
    
    // 3. 清除FPSCR所有标志位，初始化浮点状态
    mov     r0, #0x00000000
    vmsr    fpscr, r0
    
    bx      lr

五、常见问题排查

5.1常见问题与排查思路

从机无应答，通信完全失败
- 优先检查硬件：上拉电阻是否焊接、引脚复用是否正确、从机地址是否匹配、SDA/SCL 是否接反；
- 用示波器查看 SCL/SDA 波形，确认是否有起始信号和地址输出，判断是主控没发出来，还是从机没应答。
读操作数据全 0 或全乱码
- 检查读函数的伪读是否添加、NACK 是否提前设置、接收模式切换是否正确；
- 确认寄存器地址长度是否匹配外设，多字节地址是否按正确顺序发送。
AT24C02 连续写入失败
- 检查写入后是否添加了 5ms 延时，EEPROM 内部写入需要时间，未延时会导致后续写入失败；
- 确认写入长度不超过页大小（AT24C02 页大小 8 字节），跨页写入需要分多次操作。
LM75A 温度计算时系统死机
- 确认启动时是否调用了 FPU 使能函数，Cortex-A7 内核默认关闭 FPU，未使能时使用浮点运算会触发异常。

六、总结

本文实现的 IMX6ULL I2C 裸机驱动，兼顾了通用性和可移植性，兼容多字节寄存器地址，通过统一的传输接口，可快速适配 OLED、RTC、加速度传感器等绝大多数 I2C 外设。

IMX6ULL 平台 I2C 总线：从硬件原理到裸机驱动

一、I2C 硬件核心：开漏输出与线与特性

1.1 线与特性：多设备挂载的基础

1.2 推挽输出 和 开漏输出

推挽输出（1.和2两种情况）

开漏输出（1和3两种情况）

1.3 硬件设计关键要点

二、I2C 总线协议规范：驱动编写的时序基础

2.1 核心时序信号

1. 起始信号（Start）

2. 停止信号（Stop）

3. 数据传输规则

4. 应答信号（ACK/NACK）

2.2 完整通信帧结构

三、IMX6ULL I2C 裸机驱动

3.1 核心寄存器说明

3.2 驱动代码逐行分析

1. 总线初始化函数

2. 传输完成等待与状态检查函数

3. 主机写操作实现

4. 主机读操作实现

5. 通用传输接口封装

四、裸机驱动练习：

4.1 AT24C02 EEPROM 驱动

4.2 LM75A 温度传感器驱动

五、常见问题排查

5.1常见问题与排查思路

六、总结

1.2 推挽输出和开漏输出