正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板学习笔记：I2C 总线协议与控制器

这篇笔记继续正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板裸机学习，主题是I2C 总线协议与控制器。I2C 是传感器、触摸屏、EEPROM 等芯片最常用的总线之一。代码来自实际工程 /home/zhao/code/2026/touch_screen。

1. 完成什么实验？

实现 I.MX6ULL I2C1/I2C2 控制器的初始化，以及基于 I2C 协议的字节写和字节读函数，为后续 LM75 温度传感器、GT9147 触摸屏驱动做准备。

2. 什么是 I2C？

I2C（Inter-Integrated Circuit）是飞利浦提出的半双工串行总线，只需要两根线：SCL（时钟）和 SDA（数据）。它采用主从架构，主设备通过 7 位或 10 位地址选择从设备。

3. I2C 通信的基本时序

• 起始位 S：SCL 高电平时，SDA 从高变低。
• 停止位 P：SCL 高电平时，SDA 从低变高。
• 数据位：SCL 低电平时 SDA 改变，SCL 高电平时 SDA 保持稳定被采样。
• ACK：每发送 8 位后，接收方在第 9 个时钟把 SDA 拉低表示应答。
• 7 位地址：地址占高 7 位，最低位 R/W：0 表示写，1 表示读。

4. I2C 读寄存器为什么要两次起始？

读寄存器时，主机先发送从机地址（写方向）和寄存器地址，告诉从机要读哪个寄存器；然后发送重复起始 Sr，再发从机地址（读方向），从机才会把数据返回给主机。这就是“先写后读”的过程。

5. 真实可用的 I2C 代码

下面是工程中验证过的 i2c.c 核心代码，只保留 I2C1 初始化和通用读写。

#include "i2c.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "gpt.h"

void init_i2c1(void)
{
    /* 引脚复用为 I2C1_SDA / I2C1_SCL */
    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, 0x70B0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART4_TX_DATA_I2C1_SCL, 0x70B0);

    I2C1->I2CR &= ~(1 << 7);    /* 先关闭 I2C */
    I2C1->IFDR = 0x15;          /* 分频，约 100kHz */
    I2C1->I2CR |= (1 << 7);     /* 使能 I2C */
}

static void i2c_start(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, int dir)
{
    base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1));   /* 清除仲裁丢失和中断标志 */
    while ((base->I2SR & (1 << 7)) == 0);   /* 等待上一字节传输完成（ICF，bit7） */

    base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4);      /* 主机发送模式 */
    base->I2CR &= ~(1 << 3);                /* 发送 ACK */

    base->I2SR &= ~(1 << 1);
    base->I2DR = (dev_addr << 1) | dir;     /* 发送设备地址 + 方向 */
    while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);   /* 等待传输完成 */
}

static void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr,
                      unsigned short reg_addr, unsigned int reg_len,
                      const unsigned char *data, unsigned int len)
{
    base->I2SR &= ~((1 << 4) | (1 << 1));
    while ((base->I2SR & (1 << 7)) == 0);

    base->I2CR |= (1 << 5) | (1 << 4);      /* 主机 + 发送 */
    base->I2CR &= ~(1 << 3);

    base->I2SR &= ~(1 << 1);
    base->I2DR = dev_addr << 1;             /* 地址 + 写 */
    while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);

    for (unsigned int i = 0; i < reg_len; i++)
    {
        base->I2SR &= ~(1 << 1);
        base->I2DR = reg_addr >> (8 * (reg_len - i - 1));
        while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);
    }

    while (len--)
    {
        base->I2SR &= ~(1 << 1);
        base->I2DR = *data++;
        while ((base->I2SR & (1 << 1)) == 0);
    }

    base->I2CR &= ~(1 << 5);                /* 发送停止位 */
    int t = 0;
    while ((base->I2SR & (1 << 5)) != 0 && t < 10)
    {
        delay_us(100);
        ++t;
    }
}

static void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char dev_addr, unsigned short reg_addr, unsigned int reg_len, unsigned char *data, unsigned int len)
{
    base->I2SR &= ~((1 << IAL) | (1 << IIF));
    while((base->I2SR & (1 << ICF)) == 0);

    base->I2CR |= (1 << MSTA) | (1 << MTX);   /* 主机 + 发送 */
    base->I2CR &= ~(1 << TXAK);

    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    base->I2DR = dev_addr << 1;               /* 地址 + 写 */
    while((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

    unsigned int i;
    for(i = 0;i < reg_len;++i)                /* 写寄存器地址 */
    {
        base->I2SR &= ~(1 << IIF);
        base->I2DR = reg_addr >> (8 * (reg_len - i - 1));
        while((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
    }

    base->I2CR |= (1 << RSTA);                /* 重复起始 Sr */
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);
    base->I2DR = (dev_addr << 1) | 1;         /* 地址 + 读 */
    while((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

    base->I2CR &= ~(1 << MTX);                /* 切换为接收模式 */
    base->I2SR &= ~(1 << IIF);

    if(1 == len)
        base->I2CR |= (1 << TXAK);            /* 只读 1 字节，先准备 NACK */

    *data = base->I2DR;                       /* 假读一次，启动接收 */

    while(len--)
    {
        while((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);
        base->I2SR &= ~(1 << IIF);
        if(1 == len)
            base->I2CR |= (1 << TXAK);        /* 最后一字节前发 NACK */
        else if(0 == len)
        {
            base->I2CR &= ~((1 << MSTA) | (1 << TXAK));  /* 发送停止位 */
            int t = 0;
            while((base->I2SR & (1 << IBB)) != 0 && t < 10)  /* 等总线释放 */
            {
                delay_us(100);
                ++t;
            }
        }
        *data++ = base->I2DR;
    }
}

6. 关键点说明

• 开漏输出 + 上拉：配置字 0x70B0 使能了 47K 片上拉，但 ODE 位（bit11）为 0，并未使能开漏；规范 I2C 应使用 0x78B0（ODE=1）。本实验速率低、走线短，靠片上拉也能正常工作。
• IFDR 分频：I2C 时钟源通常为 66MHz IPG，通过 IFDR 分频得到标准模式 100kHz 或快速模式 400kHz。
• I2SR 标志位：ICF（bit7）为字节传输完成标志，IBB（bit5）为总线忙标志。代码起始前等的是 ICF，发停止位后等 IBB 清零，两者别混淆。
• I2SR[IIF]：传输完成中断标志，发送/接收完一个字节需要等待该位置位。
• 读操作最后要发 NACK：告诉从机不再读更多字节，然后发送停止位。

7. 实验现象

初始化成功后，配合 GT9147 可以读到设备 ID，配合 LM75 可以读到温度数据（注意 LM75 没有 ID 寄存器）；如果 SDA/SCL 接线反了或没上拉，通常会卡在等待 IBB 或 IIF 的循环里。

总结

I2C 协议掌握后，下一篇就可以驱动 LM75 温度传感器，读出真实温度值。