1. I2C

本章参考资料：《STM32F10X-中文参考手册》I2C 章节及《I2C 总线协议》。

1.1. 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。

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设； STM32HAL库与标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解， 最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性， 确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。 简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。

1.1.1. I2C 物理层

I2C通讯设备间的常用连接方式见图1 - 1，

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图1 - 1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 3.4Mbit/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。

1.1.2. 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。

1.1.2.1. 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1 - 2，1 - 3，1 - 4。

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图1 - 2主机写数据到从机

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图1 - 3主机由从机中读数据

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图1 - 4 I2C通讯复合格式

图例：

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数据由主机传输至从机

S ：传输开始信号

SLAVE_ADDRESS: 从机地址

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数据由从机传输至主机

R/W- ：传输方向选择位，1 为读，0 为写

A/A- ：应答 (ACK) 或非应答 (NACK) 信号

P ：停止传输信号

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。

写数据 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。

读数据 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。

读和写数据 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。

1.1.2.2. 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1 - 5。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。

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图1 - 5起始和停止信号

1.1.2.3. 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 23_6。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。

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图1 - 6数据有效性

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

1.1.2.4. 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/)，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1 - 7。

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图1 - 7 设备地址 (7 位) 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。

1.1.2.5. 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1 - 8。

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图1 - 8 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)。

1.2. 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。

1.2.1. 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 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，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，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《SMBus20》文档了解。

1.2.2. STM32 的 I2C 架构剖析

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图1 - 9 I2C 架构图

1.2.2.1. 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。关于 GPIO 引脚的复用功能，以规格书为准。这里以STM32F10X的I2C引脚为例，

STM32F10X的I2C引脚

引脚

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I2C2

SCL

PB5 / PB8(重映射)

PB10

SDA

PB6 / PB9(重映射)

PB11

1.2.2.2. 时钟控制逻辑

SCL 线的时钟信号，由 I2C 接口根据时钟控制寄存器 (CCR) 控制，控制的参数主要为时钟频率。配置 I2C 的 CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数：

  1. 可选择 I2C 通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别 I2C 对应 100/400Kbit/s 的通讯速率。

  2. 在快速模式下可选择 SCL 时钟的占空比，可选 Tlow/Thigh=2 或 Tlow/Thigh=16/9 模式，我们知道 I2C 协议在 SCL 高电平时对 SDA 信号采样，SCL 低电平时 SDA 准备下一个数据，修改 SCL 的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，这里随便选就可以了。

  3. CCR 寄存器中还有一个 12 位的配置因子 CCR，它与 I2C 外设的输入时钟源共同作用，产生SCL 时钟，STM32 的 I2C 外设都挂载在 APB1 总线上，使用 APB1 的时钟源 PCLK1，SCL信号线的输出时钟公式如下：

标准模式：

Thigh=CCR*TPCKL1 Tlow = CCR*TPCLK1

快速模式中 Tlow/T:sub:high=2 时：

Thigh = CCR*TPCKL1 Tlow = 2*CCR*TPCKL1

快速模式中 Tlow/T:sub:high=16/9 时：

Thigh = 9*CCR*TPCKL1 Tlow = 16*CCR*TPCKL1

例如，我们的 PCLK1=36MHz，想要配置 400Kbit/s 的速率，计算方式如下：

PCLK 时钟周期：TPCLK1 = 1/36000000

目标 SCL 时钟周期：TSCL = 1/400000

SCL 时钟周期内的高电平时间：THIGH = TSCL/3

SCL 时钟周期内的低电平时间：TLOW = 2*TSCL/3

计算 CCR 的值：CCR = THIGH/TPCLK1 = 30

计算结果得出 CCR 为 30，向该寄存器位写入此值则可以控制 IIC 的通讯速率为 400KHz，其实即使配置出来的 SCL 时钟不完全等于标准的 400KHz，IIC 通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由 SCL 协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。

1.2.2.3. 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。

1.2.2.4. 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。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)。

1.2.3. 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。

1.2.3.1. 主发送器

见图1 - 10 。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。

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图1 - 10 I2C 主发送器通讯过程

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)，当发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对 SR1 寄存器的“SB”位置 1，表示起始信号已经发送；

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“EV6”及“EV8”，这时 SR1 寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置 1，ADDR 为 1 表示地址已经发送，TXE 为 1 表示数据寄存器为空；

③ 以上步骤正常执行并对 ADDR 位清零后，我们往 I2C 的“数据寄存器 DR”写入要发送的数据，这时 TXE 位会被重置 0，表示数据寄存器非空，I2C 外设通过 SDA 信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV8”事件，即 TXE 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)，这个时候会产生 EV8_2 事件，SR1 的 TXE 位及 BTF 位都被置 1，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判断是哪一个事件。

1.2.3.2. 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1 - 11。

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图1 - 11 I2C 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，控制发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对 SR1 寄存器的“SB”位置 1，表示起始信号已经发送；

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“EV6”这时 SR1 寄存器的“ADDR”位被置 1，表示地址已经发送。

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“EV7”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 STM32HAL 库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。