嵌入式ARM架构学习9——IIC - 教程

一、IIC总线概述

• IIC（Inter-Integrated Circuit）即集成电路总线，用于板级芯片间通信，常见于传感器与主控芯片之间的数据交互。
• IIC由飞利浦公司创建，采用两线制：SCL（时钟线）和SDA（数据线），支持多主多从架构，通信中任一时刻仅一个主机主导。

• IIC通信方式为半双工、同步、串行，因其仅有一根数据线且有时钟线控制时序。
• 线与特性指当多个设备连接在同一总线上时，若任一设备将总线拉低，则整体呈现低电平，高电平需所有设备均释放总线。

• 总线空闲时为高电平，便于任意设备发起通信；上拉电阻（典型值4.7kΩ–10kΩ）用于提升驱动能力、延长传输距离，推荐默认选用10kΩ。

二、IIC通信时序

• 通信开始由主机发送起始信号（SCL高电平时SDA下降沿），结束于停止信号（SCL高电平时SDA上升沿）。
• 信息在SCL低电平时可改变，在SCL高电平时必须稳定供接收方采样，确保正确读取。
• 数据传输以字节为单位，高位（MSB）先行；每发送一个字节后需跟随一个应答位（ACK应答/NACK非应答）。
• 应答位由接收方在第9个时钟周期内拉低SDA表示ACK（确认收到），保持高电平则为NACK（未应答）。（注：第八个时钟周期后释放拉高数据总线便与区别从机的应答信号，第九个时钟周期后拉低数据总线为了区分结束信号）
• 单次通信可在START与STOP之间连续传输多个字节，每个字节后均有应答位，最终由主机发出STOP信号终止通信。

三、IIC协议层机制

• 起始信号后紧跟的第一个字节包含7位从机地址和1位内容方向位（R/W），用于指定目标设备及数据流向。

• 从机地址由厂商向飞利浦申请获得，保证全球唯一；若存在地址冲突，可通过挂接不同I²C总线解决。
• 材料方向位为0时表示主机写（主机发，从机收），为1时表示主机读（主机收，从机发）。
• 所有通信均由主机控制START与STOP信号，应答由接收方发出，确保通信有序进行。

四、AT24C02存储芯片应用

• 一款I2C接口的EEPROM芯片，容量为2K比特（256字节），支撑1.8V–5.5V宽电压工作。就是AT24C02
• 芯片引脚包括SCL、SDA、VCC、GND、WP（写保护）以及A0–A2（地址选择引脚），通过A0–A2配置可实现 同一总线上最多挂载8个相同型号器件。
• 字节写操作流程：主机发送START → 发送设备地址+写位（0）→ 接收ACK → 发送字地址 → 接收ACK → 发送数据 → 接收ACK → 发送STOP。

• 页写操作允许连续写入多个字节，地址自动递增，受限于每页8字节边界。

• 当前地址读操作无需指定地址，直接从上次操作位置继续读取；随机读操作需先发送设备地址+写位及目标地址，再重启START并发送设备地址+读位以启动读取过程。
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• 随机读采用两次START信号（无中间STOP），第一次用于发送地址（写模式），第二次用于启动读取（读模式），搭建跨方向的数据访问。

五、I2C控制器原理与结构

• 介绍了IDOMAX芯片中I2C控制器的基本结构，包括时钟线(SCL)和数据线(SDA)，以及内部包含的多个关键寄存器。
• 解释了I2C总线的主从机模式：主机发起通信(start信号)，从机响应；控制器可作为主机或从机使用。
• 说明了I2C总线采用半双工通信方式，只有一根数据线，读写操作共用同一材料寄存器。
• 指出IDOMAX芯片内有四个I2C总线控制器(I2C1-I2C4)，可通过引脚复用功能选择具体使用的控制器。

六、关键寄存器功能解析

• FREQUENCY寄存器(IFDR)用于设置分频系数，将66MHz外设时钟分频至目标频率(如100KHz)，最接近的可用值为640分频(IC域值为0x15)。

• 控制寄存器(I2CR)包含多个控制位：IEN为模块使能位，MSTA为主从模式选择位(置1发start信号，清0发stop信号)，MTX为发送/接收模式选择位。

• 状态寄存器(I2SR)包含要紧状态标志：IIF为中断标志位(通信过程中需频繁检查)，IBB为总线忙碌标志，IAL为仲裁丢失标志。

• 数据寄存器(I2DR)用于存放待发送或已接收的数据字节，读写操作均依据此寄存器完成。
• 地址寄存器(IADR)存储设备作为从机时的地址，本次实验作为主机使用故不涉及。

I2C初始化流程

• 首先进行引脚复用配置，将UART4的TXD/RXD引脚复用为I2C1的SCL/SDA功能，并设置SION位以支持物理引脚状态检测。
• 调整引脚电气特性，设置上拉电阻(PUE=1, PUS=0b11)和其他相关参数(PKE=1等)，确保信号完整性。
• 初始化I2C模块：先清除IEN位使模块失能并触发硬件复位，然后设置IFDR分频值为0x15(640分频)，最后重新使能IEN位完成初始化。

写操作函数建立

• 封装i2c_write函数，参数包括I2C基地址、从机地址、寄存器地址、数据指针和长度。
• 写操作流程：清除IAL和IIF标志 → 设置MTX为发送模式 → 置位MSTA产生start信号 → 发送(从机地址<<1)|0 → 等待应答(Ack)。
• 继续发送寄存器地址 → 等待应答 → 循环发送每个资料字节并等待每次应答。
• 所有数据发送完成后，清除MSTA位产生stop信号，并循环检测IBB位直到总线空闲。
• 实现wait_iif函数用于等待IIF标志置位，判断应答类型(RXAK)，返回-1表示NACK异常。
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读操作函数搭建

• 封装i2c_read函数，核心流程前半部分与写操作相同：发送start信号 → 发送从机地址(写模式) → 发送寄存器地址 → 等待应答。
• 关键区别在于后续步骤：再次置位RSTA位产生restart信号 → 发送(从机地址<<1)|1(读模式) → 等待应答。
• 切换MTX为接收模式(MTX=0)，根据资料长度设置应答方式：非最后一个字节回复ACK(TXAK=0)，最后一个字节回复NACK(TXAK=1)。
• 实现伪读机制：首次读取数据寄存器以启动接收过程，随后在循环中等待IIF置位、读取数据，直至所有材料接收完毕。
• 最后产生stop信号并等待总线空闲，完成读取操作。