23. I2C—读写EEPROM¶
本章参考资料：《STM32H750用户手册》、《STM32H750xB规格书》、库帮助文档《STM32H753xx_User_Manual.chm》及《I2C总线协议》。
若对I2C通讯协议不了解，可先阅读《I2C总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS，可阅读《smbus20》文档。
关于EEPROM存储器，请参考“常用存储器介绍”章节，实验中的EEPROM，请参考其规格书《AT24C02》来了解。
23.1. I2C协议简介¶
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备， 现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。
23.1.1. I2C物理层¶
I2C通讯设备之间的常用连接方式见图 常见的I2C通讯系统。
它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
(2) 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达1Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。
23.1.2. 协议层¶
I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
23.1.2.1. I2C基本读写过程¶
先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 主机写数据到从机 、图 主机由从机中读数据 及图 I2C通讯复合格式。
这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。
其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。
起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播* 的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的， 当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是*7位或10位。
在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。
从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。
若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)， 数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)*，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。 当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)， 数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)*，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。 当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后， 发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。 也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
23.1.2.2. 通讯的起始和停止信号¶
前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 起始和停止信号。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。 当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
23.1.2.3. 数据有效性¶
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图 数据有效性。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时， SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效， 一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
23.1.2.4. 地址及数据方向¶
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位， 实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第8位或第11位。 数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 设备地址及数据传输方向。
读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。
23.1.2.5. 响应¶
I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后， 若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号， 发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 响应与非响应信号。
传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。
23.2. STM32的I2C特性及架构¶
如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)， 就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它， 不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。
由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。
相对地，还有“硬件协议”方式，STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号， 收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。
23.2.1. STM32的I2C外设简介¶
STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持标准速度模式（高达100Kbit/s）、快速模式（高达400Kbit/s）、超快速模式（高达1Mbit/s）， 支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的I2C外设还支持SMBus2.0协议和PMBus1.1协议。SMBus协议与I2C类似， 主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus2.0》文档了解。
23.2.2. STM32的I2C架构剖析¶
23.2.2.1. 通讯引脚¶
I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。STM32芯片有多个I2C外设， 它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 STM32H7xx的I2C引脚。关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32H7xx规格书》，以它为准。
23.2.2.2. 噪声滤波器¶
模拟噪声滤波器，集成于SDA和SCL的输入上，默认情况下是打开的，该模拟滤波器符合I2C规范，此规范要求在快速模式和超快速模式下对脉宽50ns以下的脉冲都要抑制。 可以通过将寄存器I2C_CR1的ANFOFF位置1，来关闭模拟噪声滤波器。注意该位只能在I2C禁止时（PE=0）时编程。
数字噪声滤波器，从框图可以看出它是SDA和SCL经过模拟噪声滤波器再进来的，通过配置 I2C_CR1 寄存器中的 DNF[3:0] 位来使能数字滤波器使能数字滤波器， 数字滤波器可滤除脉宽 DNF[3:0] :math:t_{I2CCLK}以下的尖峰，可滤除的噪声尖峰脉宽从 1 到15 个 I2CCLK 周期可编程。如果模拟滤波器已使能，数字滤波将叠加在模拟滤波之上。
23.2.2.3. 时钟源及要求¶
I2C 的时钟由独立时钟源提供，这使得 I2C 能够独立于 PCLK 频率工作。该独立时钟源可从以下四种时钟源中任选其一（调用HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig函数可以进行修改）：
PCLK1：APB1时钟（默认值）
HSI：高速内部振荡器
CSI：低功耗内部振荡器
PLL3R：PLL时钟通过分频因子R得到的时钟
I2C 内核的时钟由 I2CCLK 提供。I2CCLK 周期 \(t_{I2CCLK}\)必须遵循以下条件：
\(t_{I2CCLK} < (t_{\text{LOW}} - t_{\text{filters}})/4\) 且\(t_{I2CCLK} < t_{\text{HIGH}}\)
其中\(t_{\text{LOW}}\)为SCL低电平时间，\(t_{\text{HIGH}}\)为SCL高电平时间，\(t_{\text{filters}}\)为模拟和数字滤波器都使能时， 引入延时的总和。模拟滤波器延时最大值为 260ns。数字滤波器延时为 \({DNF*t}_{I2CCLK}\)。
PCLK时钟周期\(t_{\text{PCLK}} < 4/3t_{\text{SCL}}\)，其中，\(t_{\text{SCL}}\)为SCL周期。
当 I2C 内核的时钟由 PCLK 提供时， PCLK 必须遵循\(t_{I2CCLK}\)的条件。
23.2.2.4. I2C时钟控制¶
使用I2C必须配置时序，以便保证主模式和从模式下使用正确的数据保持和建立时间。通过设置 I2C_TIMINGR 寄存器中的 SCLH 和 SCLL 位来配置 I2C 主时钟。 具体是指 I2C_TIMINGR 寄存器中的 PRESC[3:0]、 SCLDEL[3:0] 和 SDADEL[3:0] 位。STM32CubeMX工具在I2C配置窗口中可以计算I2C_TIMINGR寄存器的值。 例如我们要产生标准的100KHz的I2C主设备时序，如图 配置I2C时钟来源 配置I2C时钟来源，选择I2C的时钟来源，见序号2的方框。
然后切换至方框1的界面，选择方框2所要配置的I2C，这里我们使用的是I2C1，在序号3的框中依次填入以下配置：
I2C Speed Mode：Standard Mode，
I2C Speed Frequency(KHz)：100，
Analog Filter Delay：ON，
Rise Time(ns)：100，
Fall Time(ns)：10，
Coefficient of Digital Filt：0，
最后会在序号4的框中即可生成TIMINGR 寄存器的值：0x40505E8A，这样非常方便，避免头痛的计算。
下面我们来讲解初始化I2C时钟的计算方法，为了支持多主环境和从时钟延长， I2C 实现了时钟同步机制。为了实现时钟同步，需执行以下操作：
使用SCLL计数器从SCL低电平内部检测开始对时钟的低电平进行计数。
使用SCLH计数器从SCL高电平内部检测开始对时钟的高电平进行计数。
I2C经过 \(t_{SYNC1}\)延时后检测其自身的SCL低电平，该延时取决于SCL下降沿、SCL输入噪声滤波器（模拟+数字）以及SCL与I2CxCLK时钟的同步。 一旦SCLL计数器达到I2C_TIMINGR寄存器的SCLL[7:0]位中编程的值，I2C便会将SCL释放为高电平。
I2C经过 \(t_{SYNC2}\) 延时后检测其自身的SCL高电平，该延时取决于SCL上升沿、SCL输入噪声滤波器（模拟+数字）以及SCL与I2CxCLK时钟的同步。 一旦SCLH计数器达到I2C_TIMINGR寄存器的SCLH[7:0]位中编程的值，I2C便会使SCL变为低电平。
因此，主时钟周期为：
\[t_{\text{SCL}} = t_{SYNC1} + t_{SYNC2} + \left\{ \left\lbrack \left( SCLH + 1 \right) + \left( SCLL + 1 \right) \right\rbrack \times \left( PRESC + 1 \right) \times t_{I2CCLK} \right\}\]
\(t_{SYNC1}\)的持续时间取决于以下参数：
SCL 下降斜率
模拟滤波器（使能时）引入的输入延时
数字滤波器（使能时）引入的输入延时： \({DNF \times t}_{I2CCLK}\)
SCL 与 I2CCLK 时钟建立同步而产生的延时（ 2 到 3 个 I2CCLK 周期）
\(t_{SYNC2}\)的持续时间取决于以下参数：
SCL 上升斜率
模拟滤波器（使能时）引入的输入延时
数字滤波器（使能时）引入的输入延时： \({DNF \times t}_{I2CCLK}\)
SCL 与 I2CCLK 时钟建立同步而产生的延时（ 2 到 3 个 I2CCLK 周期）
23.2.2.5. 数据控制逻辑¶
I2C的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。 当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去；当从外部接收数据的时候， 数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE计算器运算， 运算结果存储在“PEC寄存器”中。当STM32的I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较， 以便响应主机的寻址。STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C设备地址，两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。
23.2.2.6. 整体控制逻辑¶
整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时， 控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态了。 除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。
23.2.2.7. 低功耗唤醒功能控制¶
STM32H7的4个I2C外设均支持从Stop模式（APB时钟被关闭的状态）下唤醒，以及所有的寻址模式。通过将I2C_CR1寄存器中的WUPEN位置1， 可以使能从Stop模式唤醒的功能。 i2c_ker_ck的时钟源必须选择HSI或CSI振荡器，内部振荡器用于地址接收，以允许从低功耗模式唤醒。 当地址匹配的时候，在CPU被唤醒的这个过程中，I2C的SCL为低电平，直到ADDR标志位被软件清0。之后，便可以正常通讯了。由于本章节不涉及这部分功能， 详细内容可参考《STM32H750用户手册》章节47.4.14 Wake form Stop mode on address match。
23.2.3. 通讯过程¶
使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
23.2.3.1. 主发送器¶
见图 主发送器通讯过程。图中的是“主发送器”流程，即作为I2C通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。
主发送器发送流程及事件说明如下：
(1) 控制产生起始信号(S)；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV1”，这时SR1寄存器的“ TXIS”位置1，表示发送数据寄存器为空；
(3) 以上步骤正常执行后，我们往I2C的“数据寄存器DR”写入要发送的数据，这时TXIS位会被重置0，表示数据寄存器非空， 2C外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV1”事件，即TXIS位被置1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；
(4) 当我们发送数据完成后， 控制I2C设备产生一个停止信号(P)，表示通讯结束。
假如我们使能了I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来了解是哪一个事件。
23.2.3.2. 主接收器¶
再来分析主接收器过程，即作为I2C通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图 主接收器过程。
主接收器接收流程及事件说明如下：
(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV1”，这时SR1寄存器的“ TXIS”位置1，表示发送数据寄存器为空；
(3) 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV1”事件、“EV2”事件，SR1寄存器的RXNE被置1， 表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)， 若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；
(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。
在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位， 比较复杂。我们可使用STM32 HAL库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。
23.3. I2C初始化结构体详解¶
跟其它外设一样，STM32 HAL库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。 初始化结构体及函数定义在库文件“stm32h7xx_hal_i2c.h”及“stm32h7xx_hal_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。 了解与I2C初始化有关的结构体之后，我们就能对I2C外设运用自如了，见 代码清单:I2C-1。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | typedef struct __I2C_HandleTypeDef {
I2C_TypeDef *Instance; /*!< I2C外设基地址*/
I2C_InitTypeDef Init; /*!< I2C初始化参数配置*/
uint8_t *pBuffPtr; /*!< 数据地址*/
uint16_t XferSize; /*!< 需要写入的页数*/
__IO uint16_t XferCount; /*!< 不足一页需要写入的个数*/
__IO uint32_t XferOptions; /*!< I2C多字节传输配置 */
__IO uint32_t PreviousState; /*!< I2C前一个工作状态*/
HAL_StatusTypeDef (*XferISR)(struct __I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint32_t ITFlags,
uint32_t ITSources); /*!< I2C中断函数指针*/
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< I2C发送的DMA相关配置结构体 */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< I2C接受的DMA相关配置结构体*/
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< 锁资源*/
__IO HAL_I2C_StateTypeDef State; /*!< I2C的工作状态*/
__IO HAL_I2C_ModeTypeDef Mode; /*!< I2C通讯的模式*/
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< I2C的错误参数*/
__IO uint32_t AddrEventCount; /*!< 地址事件计数值*/
} I2C_HandleTypeDef;
|
(1) Instance
本成员用于指向用户使用的I2C寄存器基地址，方便对I2C寄存器进行配置。
(2) Init
本成员是I2C的初始化结构体，主要用来配置I2C的时钟，从机设备地址等等，详细的讲解，请看下面的I2C初始化结构体的介绍。
(3) pBuffPtr
本成员是指向数据的地址的指针，用于接收数据以及发送数据的缓冲区
(4) XferSize
本成员存放的是需要写的数据的页数，I2C_CR2的位NBYTES[7:0]只有8位，所以一次最多只能写入255个数据。因此，如果数据的个数超过了255个，需要分页进行写入。
(5) XferCount
本成员存放的是需要单独写的数据个数，该值应该小于等于255。与XferSize不同之处在于，这个值存放的是数据不足一页的个数，可以单独进行写入。
(6) XferOptions
本成员用于配置I2C的多字节传输模式。可以选择自动发送停止信号，多字节自动发送模式。
(7) PreviousState
本成员用于存放I2C的前一个工作状态。
(8) (*XferISR)(struct __I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint32_t ITFlags, uint32_t ITSources)
本成员其实是一个函数指针。主要用于执行相应的中断函数。
(9) *hdmatx、*hdmarx
这两个结构体用于配置与 I2C发送、接受相关的DMA功能。
(10) Lock
本成员是HAL库自带的一个锁资源。初始化I2C时，可通过调用HAL_I2C_MspInit函数来初始化I2C的GPIO、时钟等等。这个函数的内容需要用户自己编写。
(11) State
本成员主要存放着I2C的工作状态。例如HAL_I2C_STATE_BUSY，表明I2C总线被占用。
(12) Mode
本成员用于配置I2C的工作模式，可选择主机模式（HAL_I2C_MODE_MASTER），从机模式（HAL_I2C_MODE_SLAVE）等等。
(13) ErrorCode
本成员主要是存放着I2C错误的参数。例如HAL_I2C_ERROR_TIMEOUT，表示超出等待时间。
(14) AddrEventCount
本成员是一个计数值。主要用于地址事件计数，只能用于从机模式。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | typedef struct {
uint32_t Timing;
/*指定I2C_TIMINGR寄存器的值，可以通过I2C_TIMING_CONFIGURARION工具计算*/
/*指定自身的I2C设备地址1，可以是 7-bit或者10-bit*/
uint32_t OwnAddress1;
/*指定地址的长度模式，可以是7bit模式或者10bit模式 */
uint32_t AddressingMode;
/*设置双地址模式 */
uint32_t DualAddressMode;
/*指定自身的I2C设备地址2，只能是 7-bit */
uint32_t OwnAddress2;
/*指定当双地址模式时的掩码 */
uint32_t OwnAddress2Masks;
/*指定广播呼叫模式 */
uint32_t GeneralCallMode;
/*指定禁止时钟延长模式*/
uint32_t NoStretchMode;
} I2C_InitTypeDef;
|
这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL库中定义的宏：
(1) Timing
本成员设置的是I2C的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值写入到I2C的时钟控制寄存器I2C_TIMINGR。这个数值的计算上一节已经说明。
(2) OwnAddress1
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址1，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。 地址可设置为7位或10位(受下面(3) AddressingMode成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址， 若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用DualAddressMode成员使能，然后设置OwnAddress2成员即可，OAR2不支持10位地址。
(3) AddressingMode
本成员选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到OwnAddress1成员， 只有这里设置成10位模式时， OwnAddress1才支持10位地址。
(4) DualAddressMode
本成员配置的是STM32的I2C设备自己的地址，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。 地址可设置为7位或10位(受下面I2C_AcknowledgeAddress成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址， 若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置，OAR2不支持10位地址。
(5) OwnAddress2
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址2，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
(6) OwnAddress2Masks
本成员指定I2C的双地址模式时的掩码。
(7) GeneralCallMode
本成员是关于I2C从模式时的广播呼叫模式设置。
(8) NoStretchMode
本成员是关于I2C禁止时钟延长模式设置，用于在从模式下禁止时钟延长。它在主模式下必须保持关闭。
配置完这些结构体成员值，调用库函数HAL_I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。
23.4. I2C—读写EEPROM实验¶
EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM芯片最常用的通讯方式就是I2C协议， 本小节以EEPROM的读写实验为大家讲解STM32的I2C使用方法。实验中STM32的I2C外设采用主模式，分别用作主发送器和主接收器，通过查询事件的方式来确保正常通讯。
23.4.1. 硬件设计¶
本实验板中的EEPROM芯片(型号：AT24C02)的SCL及SDA引脚连接到了STM32对应的I2C引脚中，结合上拉电阻，构成了I2C通讯总线， 它们通过I2C总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有7位，其中高4位固定为：1010 b，低3位则由A0/A1/A2信号线的电平决定， 见图 EEPROM设备地址 ，图中的R/W是读写方向位，与地址无关。
按照我们此处的连接，A0/A1/A2均为0，所以EEPROM的7位设备地址是：101 0000b，即0x50。 由于I2C通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个8位数，且当R/W位为0时，表示写方向，所以加上7位地址，其值为“0xA0”， 常称该值为I2C设备的“写地址”；当R/W位为1时，表示读方向，加上7位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。
EEPROM芯片中还有一个WP引脚，具有写保护功能，当该引脚电平为高时，禁止写入数据，当引脚为低电平时，可写入数据，我们直接接地，不使用写保护功能。
关于EEPROM的更多信息，可参考其数据手册《AT24C02》来了解。若您使用的实验板EEPROM的型号、设备地址或控制引脚不一样，只需根据我们的工程修改即可，程序的控制原理相同。
23.4.2. 软件设计¶
为了使工程更加有条理，我们把读写EEPROM相关的代码独立分开存储，方便以后移植。 在“工程模板”之上新建“bsp_i2c_ee.c”及“bsp_i2c_ee.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32 HAL库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
23.4.2.1. 编程要点¶
(1) 配置通讯使用的目标引脚为开漏模式；
(2) 使能I2C外设的时钟；
(3) 配置I2C外设的模式、地址、速率等参数并使能I2C外设；
(4) 编写基本I2C按字节收发的函数；
(5) 编写读写EEPROM存储内容的函数；
(6) 编写测试程序，对读写数据进行校验。
23.4.2.2. 代码分析¶
I2C硬件相关宏定义
我们把I2C硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_i2c_ee.h”文件中，见 代码清单:I2C-3。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | /* 这个地址只要与STM32外挂的I2C器件地址不一样即可 */
#define I2C_OWN_ADDRESS7 0X0A
/*I2C接口*/
#define EEPROM_I2C I2C1
#define EEPROM_I2C_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE()
#define RCC_PERIPHCLK_I2Cx RCC_PERIPHCLK_I2C1
#define EEPROM_I2C_SCL_PIN GPIO_PIN_8
#define EEPROM_I2C_SCL_GPIO_PORT GPIOB
#define EEPROM_I2C_SCL_GPIO_CLK_ENABLE() __GPIOB_CLK_ENABLE()
#define EEPROM_I2C_SCL_AF GPIO_AF4_I2C1
#define EEPROM_I2C_SDA_PIN GPIO_PIN_9
#define EEPROM_I2C_SDA_GPIO_PORT GPIOB
#define EEPROM_I2C_SDA_GPIO_CLK_ENABLE() __GPIOB_CLK_ENABLE()
#define EEPROM_I2C_SDA_AF GPIO_AF4_I2C1
|
以上代码根据硬件连接，把与EEPROM通讯使用的I2C号 、引脚号、引脚源以及复用功能映射都以宏封装起来， 并且定义了自身的I2C地址及通讯速率，以便配置模式的时候使用。
初始化I2C的 GPIO
利用上面的宏，编写I2C GPIO引脚的初始化函数，见 代码清单:I2C-4_。
同为外设使用的GPIO引脚初始化，初始化的流程与“串口初始化函数”章节中的类似，主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下：
(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置；
(2) 调用宏EEPROM_I2C_CLK_ENABLE()使能I2C外设时钟，调用宏定义EEPROM_I2C_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()和EEPROM_I2C_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()来使能I2C引脚使用的GPIO端口时钟。
(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成复用开漏模式，要注意I2C的引脚必须使用这种模式。
(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用HAL_GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化。
配置I2C的模式
以上只是配置了I2C使用的引脚，还不算对I2C模式的配置，见 代码清单:I2C-5。
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* @brief I2C 工作模式配置
* @param 无
* @retval 无
*/
static void I2C_Mode_Config(void)
{
/* I2C 配置 */
I2C_Handle.Instance = EEPROM_I2C;
I2C_Handle.Init.Timing = 0x40805E8A;//100KHz
I2C_Handle.Init.OwnAddress1 = 0;
I2C_Handle.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
I2C_Handle.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
I2C_Handle.Init.OwnAddress2 = 0;
I2C_Handle.Init.OwnAddress2Masks = I2C_OA2_NOMASK;
I2C_Handle.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
I2C_Handle.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
/* Init the I2C */
HAL_I2C_Init(&I2C_Handle);
HAL_I2CEx_AnalogFilter_Config(&I2C_Handle, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE);
}
/**
* @brief I2C 外设(EEPROM)初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void I2C_EE_Init(void)
{
I2C_GPIO_Config();
I2C_Mode_Config();
}
|
熟悉STM32 I2C结构的话，这段初始化程序就十分好理解了，指定连接EEPROM的I2C为EEPROM_I2C这里是I2C4，时序配置为上面用工具计算出来的值， 自身地址为0，地址设置为7bit模式，关闭双地址模式，自身地址2也为0，自身地址2掩码设置为无掩码，禁止通用广播模式，禁止时钟延长模式。 最后调用库函数HAL_I2C_Init把这些配置写入寄存器。
为方便调用，我们把I2C的GPIO及模式配置都用I2C_EE_Init函数封装起来。
向EEPROM写入一个字节的数据
初始化好I2C外设后，就可以使用I2C通讯了，我们看看如何向EEPROM写入一个字节的数据，见 代码清单:I2C-6。
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* @brief 写一个字节到I2C EEPROM中
* @param
* @arg pBuffer:缓冲区指针
* @arg WriteAddr:写地址
* @retval 无
*/
uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
status = HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS, (uint16_t)WriteAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pBuffer, 1, 100);
/* Check the communication status */
if (status != HAL_OK) {
/* Execute user timeout callback */
//I2Cx_Error(Addr);
}
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
/* Check if the EEPROM is ready for a new operation */
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,
EEPROM_MAX_TRIALS, I2Cx_TIMEOUT_MAX) == HAL_TIMEOUT);
/* Wait for the end of the transfer */
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
return status;
}
|
这里我们只是简单调用库函数HAL_I2C_Mem_Write就可以实现，通过封装一次使用更方便。
在这个通讯过程中，STM32实际上通过I2C向EEPROM发送了两个数据，但为何第一个数据被解释为EEPROM的内存地址？ 这是由EEPROM的自己定义的单字节写入时序，见图 EEPROM单字节写入时序。
EEPROM的单字节时序规定，向它写入数据的时候，第一个字节为内存地址，第二个字节是要写入的数据内容。所以我们需要理解：命令、 地址的本质都是数据，对数据的解释不同，它就有了不同的功能。
EEPROM的页写入
在以上的数据通讯中，每写入一个数据都需要向EEPROM发送写入的地址，我们希望向连续地址写入多个数据的时候， 只要告诉EEPROM第一个内存地址address1，后面的数据按次序写入到address2、address3…这样可以节省通讯的内容， 加快速度。为应对这种需求，EEPROM定义了一种页写入时序，见图 EEPROM页写入时序。
根据页写入时序，第一个数据被解释为要写入的内存地址address1，后续可连续发送n个数据，这些数据会依次写入到内存中。 其中AT24C02型号的芯片页写入时序最多可以一次发送8个数据(即n = 8)，该值也称为页大小， 某些型号的芯片每个页写入时序最多可传输16个数据。EEPROM的页写入代码实现见 代码清单:I2C-7。
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* @brief
在EEPROM的一个写循环中可以写多个字节，但一次写入
的字节数
*
不能超过EEPROM页的大小，AT24C02每页有8个字节
* @param
* @arg pBuffer:缓冲区指针
* @arg WriteAddr:写地址
* @arg NumByteToWrite:写的字节数
* @retval 无
*/
uint32_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr, uint8_t
NumByteToWrite)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
/* Write EEPROM_PAGESIZE */
status=HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,WriteAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t*)(pBuffer),NumByteToWrite,
100);
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
/* Check if the EEPROM is ready for a new operation */
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,
EEPROM_MAX_TRIALS, I2Cx_TIMEOUT_MAX) == HAL_TIMEOUT);
/* Wait for the end of the transfer */
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
return status;
}
|
这段页写入函数主体跟单字节写入函数是一样的，只是它在发送数据的时候，使用for循环控制发送多个数据，发送完多个数据后才产生I2C停止信号， 只要每次传输的数据小于等于EEPROM时序规定的页大小，就能正常传输。
多字节写入
多次写入数据时，利用EEPROM的页写入方式，避免单字节读写时候的等待。多个数据写入过程见 代码清单:I2C-8。
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* @brief 将缓冲区中的数据写到I2C EEPROM中
* @param
* @arg pBuffer:缓冲区指针
* @arg WriteAddr:写地址
* @arg NumByteToWrite:写的字节数
* @retval 无
*/
void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
uint16_t NumByteToWrite)
{
uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0;
Addr = WriteAddr % EEPROM_PAGESIZE;
count = EEPROM_PAGESIZE - Addr;
NumOfPage = NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;
/* If WriteAddr is I2C_PageSize aligned */
if (Addr == 0) {
/* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */
if (NumOfPage == 0) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
/* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */
else {
while (NumOfPage--) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
WriteAddr += EEPROM_PAGESIZE;
pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
}
if (NumOfSingle!=0) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
}
}
/* If WriteAddr is not I2C_PageSize aligned */
else {
/* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */
if (NumOfPage== 0) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
/* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */
else {
NumByteToWrite -= count;
NumOfPage = NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;
if (count != 0) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
WriteAddr += count;
pBuffer += count;
}
while (NumOfPage--) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
WriteAddr += EEPROM_PAGESIZE;
pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
}
if (NumOfSingle != 0) {
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
}
}
}
|
很多读者觉得这段代码的运算很复杂，看不懂，其实它的主旨就是对输入的数据进行分页(本型号芯片每页8个字节)，见表 首地址对齐到页时的情况。 通过“整除”计算要写入的数据NumByteToWrite能写满多少“完整的页”，计算得的值存储在NumOfPage中，但有时数据不是刚好能写满完整页的， 会多一点出来，通过“求余”计算得出“不满一页的数据个数”就存储在NumOfSingle中。计算后通过按页传输NumOfPage次整页数据及最后的NumOfSing个数据， 使用页传输，比之前的单个字节数据传输要快很多。
除了基本的分页传输，还要考虑首地址的问题，见表 首地址未对齐到页时的情况。若首地址不是刚好对齐到页的首地址，会需要一个count值，用于存储从该首地址开始写满该地址所在的页， 还能写多少个数据。实际传输时，先把这部分count个数据先写入，填满该页，然后把剩余的数据(NumByteToWrite-count)， 再重复上述求出NumOPage及NumOfSingle的过程，按页传输到EEPROM。
若writeAddress=16，计算得Addr=16%8= 0 ，count=8-0= 8；
同时，若NumOfPage=22，计算得NumOfPage=22/8=2，NumOfSingle=22%8=6。
数据传输情况如表 首地址对齐到页时的情况
若writeAddress=17，计算得Addr=17%8= 1，count=8-1=7；
同时，若NumOfPage=22，
先把count去掉，特殊处理，计算得新的NumOfPage=22-7=15
计算得NumOfPage=15/8=1，NumOfSingle=15%8=7。
数据传输情况如表 首地址未对齐到页时的情况
最后，强调一下，EEPROM支持的页写入只是一种加速的I2C的传输时序，实际上并不要求每次都以页为单位进行读写，EEPROM是支持随机访问的(直接读写任意一个地址)， 如前面的单个字节写入。在某些存储器，如NANDFLASH，它是必须按照Block写入的，例如每个Block为512或4096字节，数据写入的最小单位是Block， 写入前都需要擦除整个Block；NORFLASH则是写入前必须以Sector/Block为单位擦除，然后才可以按字节写入。 而我们的EEPROM数据写入和擦除的最小单位是“字节”而不是“页”，数据写入前不需要擦除整页。
从EEPROM读取数据
从EEPROM读取数据是一个复合的I2C时序，它实际上包含一个写过程和一个读过程，见图 EEPROM数据读取时序。
读时序的第一个通讯过程中，使用I2C发送设备地址寻址(写方向)，接着发送要读取的“内存地址”；第二个通讯过程中，再次使用I2C发送设备地址寻址， 但这个时候的数据方向是读方向；在这个过程之后，EEPROM会向主机返回从“内存地址”开始的数据，一个字节一个字节地传输，只要主机的响应为“应答信号”， 它就会一直传输下去，主机想结束传输时，就发送“非应答信号”，并以“停止信号”结束通讯，作为从机的EEPROM也会停止传输。HAL库已经帮我们实现了这一个过程， 我们只是简单封装一下就可以直接使用，实现代码见 代码清单:I2C-9。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | /**
* @brief 从EEPROM里面读取一块数据
* @param
* @arg pBuffer:存放从EEPROM读取的数据的缓冲区指针
* @arg WriteAddr:接收数据的EEPROM的地址
* @arg NumByteToWrite:要从EEPROM读取的字节数
* @retval 无
*/
uint32_t I2C_EE_BufferRead(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr,
uint16_t NumByteToRead)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
status=HAL_I2C_Mem_Read(&I2C_Handle,EEPROM_ADDRESS,ReadAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t *)pBuffer, NumByteToRead,1000);
return status;
}
|
这里代码非常简单，我们只需要确定I2C的地址，数据格式，数据存储指针，数据大小，超时设置就可以把想要的数据读回来。
23.4.2.3. main文件¶
EEPROM读写测试函数
完成基本的读写函数后，接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程序，见 代码清单:I2C-10。
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* @brief I2C(AT24C02)读写测试
* @param 无
* @retval 正常返回1 ，不正常返回0
*/
uint8_t I2C_Test(void)
{
uint16_t i;
EEPROM_INFO("写入的数据");
for ( i=0; i<DATA_Size; i++ ) { //填充缓冲
I2c_Buf_Write[i] =i;
printf("0x%02X ", I2c_Buf_Write[i]);
if (i%16 == 15)
printf("\n\r");
}
//将I2c_Buf_Write中顺序递增的数据写入EERPOM中
I2C_EE_BufferWrite( I2c_Buf_Write, EEP_Firstpage, DATA_Size);
EEPROM_INFO("读出的数据");
//将EEPROM读出数据顺序保持到I2c_Buf_Read中
I2C_EE_BufferRead(I2c_Buf_Read, EEP_Firstpage, DATA_Size);
//将I2c_Buf_Read中的数据通过串口打印
for (i=0; i<DATA_Size; i++) {
if (I2c_Buf_Read[i] != I2c_Buf_Write[i]) {
printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);
EEPROM_ERROR("错误:I2C EEPROM写入与读出的数据不一致");
return 0;
}
printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);
if (i%16 == 15)
printf("\n\r");
}
EEPROM_INFO("I2C(AT24C02)读写测试成功");
return 1;
}
|
代码中先填充一个数组，数组的内容为1,2,3至N，接着把这个数组的内容写入到EEPROM中，写入时采用页写入的方式。写入完毕后再从EEPROM的地址中读取数据， 把读取得到的与写入的数据进行校验，若一致说明读写正常，否则读写过程有问题或者EEPROM芯片不正常。其中代码用到的EEPROM_INFO跟EEPROM_ERROR宏类似， 都是对printf函数的封装，使用和阅读代码时把它直接当成printf函数就好。具体的宏定义在“bsp_i2c_ee.h文件中”，在以后的代码我们常常会用类似的宏来输出调试信息。
main函数
最后编写main函数，函数中初始化了系统时钟、LED、串口、I2C外设，然后调用上面的I2C_Test函数进行读写测试，见 代码清单:I2C-11。
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* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
/* 系统时钟初始化成480MHz */
SystemClock_Config();
LED_GPIO_Config();
/* 配置串口1为：115200 8-N-1 */
UARTx_Config();
printf("\r\n 欢迎使用野火 STM32 H750 开发板。\r\n");
printf("\r\n 这是一个I2C外设(AT24C02)读写测试例程 \r\n");
/* I2C 外设初(AT24C02)始化 */
I2C_EE_Init();
if (I2C_Test() ==1) {
LED_GREEN;
} else {
LED_RED;
}
while (1) {
}
}
|
23.4.3. 下载验证¶
用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到EEPROM测试的调试信息。