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STM32之 $I^{2}C$

1. $I^{2}C$ 简介

$I^{2}C$ 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。
$I^{2}C$ (芯片间)总线接口连接微控制器和串行 $I^{2}C$ 总线。它提供多主机功能，控制所有I2C总线特定的时序、协议、仲裁和定时。支持**标准**和**快速**两种模式，同时与SMBus 2.0兼容。
$I^{2}C$ 模块有多种用途，包括CRC码的生成和校验、SMBus(系统管理总线—System Management Bus)和PMBus(电源管理总线—Power Management Bus)。根据特定设备的需要，可以使用DMA以减轻CPU的负担。
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；STM32 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。

2. $I^{2}C$ 物理层

$I^{2}C$ 通讯设备之间的常用连接方式见图常见的 $I^{2}C$ 通讯系统。

物理层特点如下：

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 $I^{2}C$ 通讯总线中，可连接多个 $I^{2}C$ 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
一个 $I^{2}C$ 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。
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。
总线通过上拉电阻接到电源。当 $I^{2}C$ 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。
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。
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 $I^{2}C$ 设备尚不支持高速模式。
连接到相同总线的 $I^{2}C$ 数量受到总线的最大电容400pF限制。

3. $I^{2}C$ 协议层

$I^{2}C$ 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。

3.1 $I^{2}C$ 基本读写过程

$I^{2}C$ 通讯过程的基本结构如下所示，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 $I^{2}C$ 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 $I^{2}C$ 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 $I^{2}C$ 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 $I^{2}C$ 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 读和写数据

除了基本的读写， $I^{2}C$ 通讯更常用的是复合格式，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。

3.5 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。

3.6 数据有效性

$I^{2}C$ 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。

3.7 地址及数据方向

$I^{2}C$ 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。

3.8 响应

$I^{2}C$ 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 $I^{2}C$ 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)。

4、 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。

4.1 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。

4.2 STM32 的I2C架构剖析

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23‑1。关于GPIO 引脚的复用功能，以规格书为准。表4‑1 STM32F10x 的I2C引脚

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：

• 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。

• 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。

• 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/Thigh=2 时： Thigh = CCR*TPCKL1 Tlow = 2*CCR*TPCKL1

快速模式中Tlow/Thigh=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。

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。

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)。

4.3 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。

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)，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。

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STM32标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。