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I2C GPIO 扩展器 PCF8574：准双向 IO、读改写与中断输出 ​

更新时间：2026-09-19。前置：I2C 主机设计、GPIO 去抖与中断。MCU 引脚不够时，用一颗 I2C 转 8 路 IO 的扩展器即可加按键、LED、片选；PCF8574 是最常见的一种，但它的端口模型和普通 GPIO 很不一样。

本文要回答的问题 ​

  • PCF8574 为什么没有「方向寄存器」，准双向是什么意思？
  • 为什么读引脚前必须先写 1，驱动一个输入要注意什么？
  • INT 中断脚在什么条件下触发/清除？
  • 读-改-写、上电态和强驱动外部信号有哪些坑？

一、芯片与地址 ​

PCF8574/8574A（8 位 I²C 通用并行 I/O）：

  • 8 个端口 P0~P7，I2C 控制，标准/快速模式（100k/400k）。
  • 7 位从机地址由固定前缀 + 3 个地址引脚 A2/A1/A0 决定（8574 与 8574A 前缀不同，共可挂多颗），地址引脚通常直接接 VCC/GND。
  • 一个独立的 INT（开漏、低有效） 输出，可接 MCU 外部中断，输入变化时拉低。
  • 端口内部有弱上拉（约 100μA 级），上电/复位后默认全为 1（输入态）。

二、核心：准双向端口，不是普通 GPIO ​

普通 MCU 的 GPIO 有明确方向寄存器（DDR）：先配输入/输出，再读写。PCF8574 没有方向寄存器，每个引脚是准双向（quasi-bidirectional）开漏式端口：

  • 向某脚写 1：释放强下拉，引脚被内部弱上拉拉高，同时该脚可作为输入被读（高阻+弱上拉）。
  • 向某脚写 0：内部强下拉导通，引脚被拉低作输出低。
  • 它没有主动输出高电平的强驱动（高电平来自弱上拉/外部上拉），所以：
    • 适合直接灌电流点亮 LED（拉低导通）、驱动低有效片选；
    • 拉高只能提供很小电流，驱动负载要靠外部上拉。

一句话：写 0 = 强低输出；写 1 = 释放（高电平/输入）。读写协议上，主机发从地址+写时是设置输出值；发从地址+读时是读当前引脚电平。

三、读操作的「先写 1」与读-改-写 ​

要把某脚当输入，必须保证对应输出锁存位是 1（释放强下拉）。如果之前写过 0，内部下拉还导通，读回来永远是 0。因此输入初始化要先写 0xFF（或对应位置 1）。

混合使用（部分位输出、部分位输入）时，改一个输出位要做读-改-写，否则会误伤输入脚：

bash
想只把 P0 拉低、其余保持:
  1) 读当前端口(确认输入位状态/当前锁存)
  2) value = (current & ~BIT0)   // 只改 P0，输入对应位保留 1
  3) 写 value
错误做法: 直接写 0x00 → 把所有输入位也强拉低,无法读输入

注意 I2C 上「读 PCF8574」读到的是引脚实际电平（不是上次写的锁存值）：当某脚写 1 又被外部拉低，读到 0；这正是检测按键的原理（按键把弱上拉拉低）。

四、INT 中断输出 ​

  • 当端口配置为输入（相应位写 1）时，任何引脚电平相对上次读操作发生变化都会把 INT 拉低。
  • 清除条件：INT 在一次对该芯片的读或写传输（SCL 上升沿/ACK 前后，数据手册定义的时刻）后清除，恢复高电平；之后若再有变化再次拉低。
  • 因此典型用法：按键变化触发 INT → MCU 在 ISR 里读一次 PCF8574（既读键值又清除 INT）。
  • INT 不锁定具体是哪位变化，要软件读后和上次快照比较找出变化位。
  • 由于 INT 在读写时清，如果变化发生在读取与处理之间，可能合并/错过边沿——它是「电平相对上次读」比较，不是边沿锁存；按键仍需去抖（见 GPIO 去抖）。

五、典型用法与系统考虑 ​

  • 输出（LED/片选）：写 0 拉低；复位后全 1，注意上电默认高，对低有效器件可能要在启动时尽快配置。
  • 输入（按键/状态）：先全写 1 释放，读端口；用 INT 通知；弱上拉可省外部上拉但速度慢，高速/长走线建议加上拉电阻以加快上升沿。
  • 作为从机挂在同一条 I2C 总线，要遵守 I2C 地址、时钟拉伸/仲裁；多个扩展器用 A2/A1/A0 区分。
  • 端口电平跟随芯片 VCC（如 3.3V），不能直接承受 5V 输入，跨电平要外部处理（见 ESD/IO）。

六、常见的坑 ​

  1. 当普通 GPIO 找方向寄存器：PCF8574 没有 DDR，靠写 1/0 释放/强拉。
  2. 输入前不写 1：该位还被强下拉，读回恒 0。
  3. 直接写整字节覆盖输入位：改输出时把输入位也写成 0，输入失效；必须读-改-写并保留输入位为 1。
  4. 指望强高电平驱动：高电平只有弱上拉，带不动负载；拉高驱动需外部上拉，驱动 LED 用灌电流（低有效）。
  5. 读的是锁存值还是引脚分不清：读到的是引脚实际电平，外部可改变它。
  6. INT 当边沿锁存：它是「相对上次读的电平变化」标志，读/写即清，不告诉你具体位、可能合并变化，要软件比对+去抖。
  7. 上电默认全 1 没处理：复位瞬间所有脚为高，对低有效使能的器件可能误动作，要在启动早期配置或加外部默认态。
  8. INT 开漏忘接上拉：INT 是开漏输出，要上拉电阻，MCU 才能看到高电平。
  9. 弱上拉导致边沿慢：长走线/大电容下上升沿慢，读入错误或 I2C 外的中断延迟，加外部上拉。
  10. 5V 信号直连：端口非 5V 容忍时被 5V 灌电/损坏。
  11. 地址冲突：多颗扩展器 A2/A1/A0 设重，地址冲突（见 I2C 地址规划）。
  12. 总线挂起未恢复：扩展器在时钟拉伸/异常时若 SDA 被拉低，主机需总线恢复（发时钟脉冲/STOP，见 I2C 主机）。

相关与延伸 ​

I2C 物理与协议见 I2C 主机设计；输入去抖/中断模型见 GPIO 去抖与同步、引脚复用；中断汇聚见 事件路由；电平与保护见 ESD/IO。

总结 ​

PCF8574 是没有方向寄存器的 I2C 8 位 GPIO 扩展器，每个引脚是「写 0 强下拉、写 1 释放并由弱上拉拉高、此时可作输入」的准双向开漏端口，且高电平只有弱驱动、适合灌电流；上电默认全 1，把某脚当输入前必须确保对应位写 1，混合输入输出时改一个输出位要用读-改-写保留输入位，读到的是引脚实际电平而非输出锁存值；开漏 INT 在输入电平相对上次读发生变化时拉低、在任意读写后清除且不标记具体位，软件需读后与快照比对并去抖——把它当带 DDR 的普通 GPIO、输入不先写 1、整字节写覆盖输入位和把 INT 当边沿锁存是四大常见坑。