【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】I2C协议详解

susplus2026-10-02 22:42

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前言

在上篇文章【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】EPIT/GPT 定时器、 UART 串口驱动中，介绍了定时器与串口，在最后编写了一个串口发送字符的函数。但是要实现字符串、数字等各种数据格式的发送，还是有一定工作量的。这时候肯定会想到C语言中的printf与scanf函数，这两个函数不就可以发送各种数据格式的数据吗？因此，在这篇文章中，我将介绍如何在ARM芯片代码中移植串口格式化函数 ，除此之外，这篇文章还将介绍i2c协议 的概念与IMX6ULL开发板 和EEPROM（电可擦除只读存储器）、LM75A温度传感器 之间的I2C通信。

一、串口格式化函数移植

移植的基本原理很简单，就是把printf和scanf函数映射到UART1上。stdio 里面的文件其实是从 uboot 里面移植过来的。uboot在后面的文章中也会讲到。

串口格式化函数移植主要有以下步骤：

  1. 由于增加了新的源码和头文件，所以Makefile也需要修改。

    • 增加源程序路径和头文件路径
      因为我们将串口格式化函数放在了一个新的文件夹中，所以还得添加路径，为编译器提供方向。
    • 添加链接目录
      因为串口格式化函数的编译需要用到GNU编译工具中的一些库，所以需要将其链接起来。

  2. 需要在uart.c中添加一个函数：void raise(int n);函数体为空即可，否则会报错

    因为printf函数使用出现错误时需要raise这个函数返回错误信息，但是我移植的库中并没有，因此需要在uart.c中写一个空raise来骗一下编译器。

完成上述操作后，我们就可以通过串口格式化函数来进行串口数据发送与接收了。

二、i2c协议的概念与特点

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。

上面是IIC的使用场景，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。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。

所以IIC协议是一个通信方式为半双工、串行的通信协议。

因为 IIC总线规定，设备在空闲时，两根总线都处于高电平状态。所以数据线SDA和时钟线SCL都要外接上拉电阻。也就是使其具有线与特性，将引脚电平的控制交给对方。

除此之外，IIC通信还遵循高位先行的特点。

三、IIC的时序

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)。以传输0xAC为例，时序图如下所示：

起始信号 ：SCL时钟信号线为高电平时，SDA数据信号线由高变低出现下降沿。

数据传输 ：

  1. SCL时钟信号线为高电平时，SDA数据信号线电平保持稳定，此时接收方采样数据

  2. SCL时钟信号线为低电平时，SDA数据信号线电平可以改变，此时发送方发送数据

应答信号 ：第9个时钟周期，接收方需要向发送方回复应答信号(ACK低电平NACK高电平，至于应答信号是ACK还是NACK在后面解释IIC相关寄存器会提到)。

结束信号：SCL时钟信号线为高电平时，SDA数据信号线由低变高出现上升沿。

I2C协议规定，在起始信号后的第一个字节 是发送设备地址（7位）+数据流向位（1位） ，数据流向位即是主机与从机之间数据流向的标志。

数据流向位0：主机发送给从机1；从机发送给主机。

最大可挂从机数：27-1 = 127

由于0 号地址被协议预留为广播地址，不能给普通从设备，所以最大可挂从机数为127。

四、EEPROM

4.1 EEPROM概念

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器。

非易失存储器：断电数据不会丢，I2C 总线最经典的从设备（AT24Cxx 系列）。这篇文章中我们将使用的芯片型号为AT24C02。

I2C通信的常见速率：100KHZ、400KHZ、1.xM、3.xM

4.2 AT24C02

AT24C02的芯片操作手册中写到：

AT24Cxx 系列主要为下面三个型号：

AT24C02的特点 ：

AT2402芯片引脚示意图：

4.3 AT24C02的I2C通信

在前面提到了I2C规定，在起始信号后的第一个字节发送的是设备地址与数据流向位，那么我们怎么知道这个地址呢，AT24C02的芯片操作手册

给出这样一个图：

我使用的AT24C02直接是一个模块，A0-A3默认接地，因此，这个AT24C02 EEPROM的设备地址就为0x50。

有了从机地址，我们还需要知道IMX6ULL与AT24C02的具体是怎么通信的。AT24C02的芯片操作手册也给出了时序图：

写时序 ：

读时序 ：

根据手册给的时序图，我们可以梳理出：

I2C写时序 ：

  1. 主机发送起始信号+设备地址+写位， 主机等待从机回复ACK应答

  2. 主机向从机发送寄存器地址，等待ACK应答

  3. 主机向从机发送数据，等待从机ACK应答

  4. 主机发送停止信号

I2C读时序 ：

  1. 主机发送起始信号+设备地址+写位，等待从机ACK应答

  2. 主机发送寄存器地址，等待从机ACK应答

  3. 主机重发起始信号+设备地址+读位，等待从机ACK应答

  4. 主机接受从机数据，主机回复ACK应答

  5. 当主机接受完最后一个字节数据，向从机回复NO ACK

  6. 主机发送停止信号

五、IMX6ULL上的I2C

5.1 IMX6ULL的I2C原理框图

5.2 相关寄存器

在IMX6ULL的参考手册中，我们可以得到这五个寄存器：

IADR

对于第一个寄存器IADR，这是IMX6ULL作为从机时才需要配置，但大多数情况下，IMX6ULL都是作为主机使用，因此，我们暂时不关注它了。

IFDR

I2C Frequency Divider Register，分频寄存器。

IC ：I2C 时钟预分频编码，用来选择分频系数 ，对IPG_CLK_ROOT（I2C 模块输入根时钟）分频，产生 I2C 的 SCL 串行位时钟。

我们若要向这个寄存器中写入值来分频，就需要使用下面这个I2C_IFDR 分频表 ：

I2CR

控制寄存器。

I2SR

状态寄存器。

I2DR

数据寄存器：存放数据。

从IMX6ULL原理图上可以知道，I2C1引出的引脚为42（SDA）、43（SCL）。

六、I2C程序C语言编写

6.1 程序流程图

由于I2C1所用的引脚是复用的，因此我们还需要对其进行引脚的复用和电气配置。结合上面的内容，我们可以得到这样一张流程图：

6.2 I2C初始化

由于标志位众多，我们直接将其定义为宏，提高代码的可读性：

c 复制代码 
// I2CR
#define  IEN    (7)
#define  MSTA   (5)
#define  MTX    (4)
#define  TXAK   (3)
#define  RSTA   (2)

// I2SR
#define  ICF    (7)
#define  IBB    (5)
#define  IAL    (4)
#define  IIF    (1)
c 复制代码 
void i2c1_init(void)
{
    // 配置引脚复用功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 1);
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 1);

    // 配置引脚电气属性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 0xF0B0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_RX_DATA_I2C1_SDA, 0xF0B0);

    I2C1->I2CR &= ~(1 << 7);    // I2C1失能
    I2C1->IFDR = 0x15;          // 640分频
    I2C1->I2CR |= (1 << 7);     // I2C1使能
}
  1. IMX6ULL 引脚是复用的，UART4_TX 可以复用成 I2C1_SCL；UART4_RX 可以复用成 I2C1_SDA。
  2. 开启软件输入路径（SDA 是双向，必须打开），I2C 的 SDA 需要读取外部电平，这个参数必须置 1。
  3. IPG_CLK_ROOT = 66MHz，分频640，I2C 标准模式（100kHz），工程小幅偏差。

6.3 I2C写时序

c 复制代码 
void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_address, unsigned char reg_address, const unsigned char *data, int len)
{
    // 通信前 仲裁丢失标志位清零 + 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~((1 << IIF) | (1 << IAL));
    // 通信前，等待数据传输完毕
    while ((base->I2SR & (1 << ICF)) == 0);
    // 发送起始信号
    base->I2CR |= (1 << MSTA);
    // 主机模式：发送模式
    base->I2CR |= (1 << MTX);
    // 后续检测从机ACK信号
    base->I2CR &= ~(1 << TXAK);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    // 发送设备地址 + 写位
    base->I2DR = dev_address << 1;   // 101 0000 0
    // 等待从机ACK
    while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    // 发送寄存器地址
    base->I2DR = reg_address;
    // 等待从机ACK
    while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

    while (len--)
    {
        // 中断标记位清零
        base->I2SR &= ~(1 << IIF);
        // 发送数据
        base->I2DR = *data++;
        // 等待从机ACK
        while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
    }

    // 发送停止信号
    base->I2CR &= ~(1 << MSTA);

    // 等待总线空闲
    while ((base->I2SR & (1 << IBB)) != 0)
    {
        delay_us(100);
    }
}
  1. 初始化标志，等待上一次传输结束；
    • 清除旧中断、仲裁丢失标志；
    • 等待 I2C 模块上次字节传输完成，避免前后两次通信冲突。
  2. 配置为主机发送模式，准备发起起始位；
  3. 发送从机地址（写）；
  4. 发送 EEPROM 内部存储地址（reg_address）；
  5. 循环写入多字节数据。

6.4 I2C读时序

c 复制代码 
void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char dev_address, unsigned char reg_address, unsigned char *data, int len)
{
   // 通信前 仲裁丢失标志位清零 + 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~((1 << IIF) | (1 << IAL));
    // 通信前，等待数据传输完毕
    while ((base->I2SR & (1 << ICF)) == 0);
    // 发送起始信号
    base->I2CR |= (1 << MSTA);
    // 主机模式：发送模式
    base->I2CR |= (1 << MTX);
    // 后续检测从机ACK信号
    base->I2CR &= ~(1 << TXAK);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    // 发送设备地址 + 写位
    base->I2DR = dev_address << 1;
    // 等待从机ACK
    while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    // 发送寄存器地址
    base->I2DR = reg_address;
    // 等待从机ACK
    while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

    // 重发起始信号
    base->I2CR |= (1 << RSTA);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    // 重发设备地址 + 读位
    base->I2DR = dev_address << 1 | 1;
    // 等待从机回复ACK信号
    while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
    // 主机模式：接收模式
    base->I2CR &= ~(1 << MTX);
    // 中断标记位清零
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);

    // 代表只需要读取一个字节
    if (len == 1)
    {
        // 代表收到一个字节后，后续回复NACK
        base->I2CR |= (1 << TXAK);
    }

    // 假读
    *data = base->I2DR;

    // 读取len个字节数据
    while (len-- != 0)
    {   
        // 代表收到一个字节数据，并且主机回复了ACK
        while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
        // 中断标记位清零
        base->I2SR &= ~(1 << IIF);

        // 代表数据全部接收完
        if (len == 0)
        {
            // 发送停止信号
            base->I2CR &= ~(1 << MSTA);
            // ACK
            base->I2CR &= ~(1 << TXAK);
            // 等待总线空闲
            while ((base->I2SR & (1 << IBB)) != 0)
            {
                delay_us(100);
             }       
        }
        else if (len == 1)
        {
            // NACK
            base->I2CR |= (1 << TXAK);
        }

        *data++ = base->I2DR;
    }
}

  1. 重复起始位 RSTA（随机读核心）

    I2C 随机读流程：先要发送从机写地址 + 内部寄存器地址 ，告诉 EEPROM 要读取的存储位置；

    不发送停止位，直接发送 RSTA 重复起始，再发送从机读地址，切换方向，从机开始往主机发数据。

    如果不用 RSTA，先发 P 再 S，就是普通读，会丢失寄存器地址信息。

  2. 假读 dummy read

    IMX6ULL 硬件 I2C 接收机制：

    写入读地址之后，硬件就会自动接收第一个字节，存入移位寄存器，必须先读一次 I2DR 把这个预接收的字节 "取走"，这一次读是 dummy 假读，不使用这个值，后面循环里才会依次读到有效数据。

    很多人写 I2C 读函数踩坑，忘记 dummy read，读到的数据错位！

  3. ACK / NACK 控制规则

    I2C 读的时候，主机负责发 ACK/NACK：

    • 还剩多个字节：主机回复ACK(TXAK=0)，通知从机继续发下一字节
    • 只剩最后 1 个字节：提前设置TXAK=1，收到最后一字节后主机回复NACK，通知从机不再继续传输
    • NACK 之后主机发送停止位 P，通信结束。
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