MM32与STM32的IIC协议学习

 

       荷兰的Philips实验室开发了 ‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或 IIC ，一种只使用二根线接连所有外围芯片的总线协议。最初的标准定义总线速度为100kbps。经历几次修订，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。

IIC协议规定：

 

第一，每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址;

 

第二，数据帧大小为8位的字节;

 

第三，数据(帧)中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向(读写)和应答机制。

IIC 数据传输速率有标准模式(100 kbps)、快速模式(400 kbps)和高速模式(3.4 Mbps)，另外一些变种实现了低速模式(10 kbps)和快速+模式(1 Mbps)。

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MM32的IIC的主要特征：

• 并行总线I2C 总线协议转换器
• 半双工同步操作
• 支持主从模式
• 支持7 位地址和10 位地址
• 支持标准模式100 Kbps，快速模式400 Kbps
• 产生Start、Stop、重新发Start、应答Acknowledge 信号检测
• 在主模式下只支持一个主机
• 分别有2 字节的发送和接收缓冲
• 在SCLI 和SDAI 上增加了无毛刺电路
• 支持DMA 操作
• 支持中断和查询操作

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起始和停止条件：

当总线处于空闲状态时，SCL 和SDA 同时被外部上拉电阻拉为高电平。

当主机启动数据传输时，必须先产生一个起始条件。在SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切
换表示起始条件。

当主机结束传输时要发送停止条件。在SCL 线是高电平，SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件。

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IIC的从机寻址协议有两种：

7位地址格式

10位地址格式

7位地址格式：

下图中显示在起始条件（S）后发送的一个字节的前7 位（bit 7：1）为从机地址，最低位（bit 0）是数据方向位，当bit 0 为0，表示主机写数据到从机，1 表示主机从从机读数据。

起始信号：在无数据通信时，IIC总线的SCL和SDA都是高电平；当主机要发送数据时，SDA在SCL为高电平时拉低发送起始信号
　　从机地址：而后，主机在SDA上发出从机的7位地址（高位在前、低位在后）。这里只是以7位地址从设备为例，目前IIC总线支持7位地址和10位地址两种设备
　　写标志：起始信号后的首字节的最低位（第8位）是读/写信号，其中0表示写数据到从机、1表示由从机读数据
　　应答信号：当从机接收到主机发出的从机地址后，与自己的地址做比较，若发现呼叫的是自己，则在SCL的第9个时钟信号时拉低SDA，以表示应答(ACK)
　　数据传输：主机收到应答信号后，接下来发送要传输的数据给从机，每次从机收到数据后，发送一个应答信号确认收到数据。
　　停止信号：数据发送完成之后，主机发出停止信号，告诉从机数据通信结束。

起始信号 → 从机地址 → 读标志"1" → 从机应答 → 从机发送数据 →主机应答 → … →从机发送数据 → 主机无应答 → 主机发送停止信号

10位地址格式：

 在10 位的地址格式中，发送2 个字节来传输10 位地址。发送的第一个字节的位的描述如下：第一个5 位（bit 7：3）用于告示从机接下来是10 位的传输。第一个字节的后两个字节（bit 2：1）位从机地址的bit 9：8，最低位（bit 0）是数据方向位（R/W）。传输的第二个字节为10 位地址的低八位。

上面的为官方的解释，本人的理解为这个数据包是分两次发送的

第一，地址帧为两个字节长，原来的是一个字节;

第二，第一个字节前五位最高有效位用作10位地址标识，约定是“11110”。

除了10位地址标识，标准还预留了一些地址码用作其它用途

 

 

 

 

 

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主机初始化数据传输并且从总线上发送或接收数据，作为主发送或者主接收。从机响应主
机的请求来发送或接收数据，作为从发送或从接收器。

主发送协议：

所有数据都是以字节格式传输，且不限制每次传输的字节数。当主机发送完地址和R/W 位或者主机发送一个字节的数据到从上，从接收器必须产生一个响应信号（ACK）。当从接收器不能产生ACK 响应信号，主机将会产生一个停止条件中止传输。从机不能响应时，必须释放SDA 为高电平才能使得主机产生停止条件。当主发送器传输数据如下图所示，从接收器在接收到的每个字节后产生一个ACK 来响应主发送器。

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主接受从发送协议：

当主机接收数据如下图所示，主机必须在每次接收到一个字节数据后响应从发送器，除了最后一个字节。通过这种方式，主接收器能通知从发送器是否是最后一个字节。从发送器在检测到NACK 时必须释放SDA，这样主机可以产生停止条件。

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起始字节传输协议：

 起始字节传输协议是用来给没有专用的I2C 硬件模块的系统使用。当I2C 模块作为主机时，在每次传输开始可以给需要的从机产生起始字节输出。该协议由7 个0 以及一个1 组成，如下图所示。处理器可以在地址阶段用低速采样0 来查询总线。一旦检测到0，处理器可以从低速采样切换到主机的正常速率。

起始字节程序流程如下：
1. 主机产生一个起始条件
2. 主机发送起始字节（0000 0001）
3. 主机发送ACK 时钟脉冲（ACK）
4. 没有从机响应ACK 信号
5. 主机产生重复起始条件（RESTART）
硬件I2C 接收器不需要响应开始字节，因为这是一个保留地址，而且地址会在RESTART后复位。

发送缓冲管理以及起始，停止和重复发送起始条件的产生

当工作在主机模式，每当发送为空时I2C 模块就在总线上产生一个停止条件。如果重复起始产生功能使能（IC_RESTART_EN ＝ 1），则传输方向从读变为写或者写变为读时产生重复起始条件。如果没有使能重复起始条件，则会在停止条件后产生一个起始条件。下图显示了IC_DATA_CMD 寄存器的位。

下面的时序图描述了I2C 模块工作在主发送模式下Tx FIFO 变为空时行为。

下面的时序图描述了I2C 模块工作在主接收模式下当Tx FIFO 变为空时行为。

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I2C 接口可以以下述4 种方式中的一种运行：
• 从发送器模式
• 从接收器模式
• 主发送器模式
• 主接收器模式

下面介绍从模式的程序流程图：

初始化配置：

1. 写0 到IC_ENABLE 寄存器位0 禁止I2C。
2. 通过初始化IC_SAR 寄存器来配置从机地址。该地址为I2C 接口所响应的地址。
3. 配置IC_CON 寄存器指定地址格式（设置bit 3 来选择7 位或10 位地址格式）。写0 到寄
存器IC_CON 寄存器的位6（IC_SLAVE_DISABLE）和写0 到位0（MASTER_MODE）。
4. 写1 到IC_ENABLE 寄存器中位0 来使能I2C 接口模块。

从发送单字节操作：

当I2C 接口被其他I2C 主机寻址并请求数据的时候，I2C 接口工作在从发送模式，步骤如
下：
1. 其他I2C 主机器件初始化I2C 传输，发送地址与IC_SAR 寄存器中的从机地址匹配。
2. I2C 接口响应发送的地址，识别传输的方向是工作在从发送模式。
3. I2C 接口产生RD_REQ 中断（寄存器IC_RAW_INTR_STAT 位5），并且将SCL 线拉
低。总线一直处于等待状态直到软件响应。
如果RD_REQ 中断被屏蔽（寄存器IC_INTR_MASK[5] = 0），建议CPU 定期查询IC_RAW_INTA_STAT
寄存器。
1. IC_RAW_INTR_STAT 位5 置位等效于产生了一个RD_REQ 中断。
2. 软件必须满足I2C 传输的要求。
3. 时间间隔通常在10 个SCL 时钟周期左右。例如，对于400kbps，时间间隔是25us。
4. 如果在接收读请求之前Tx FIFO 仍然有数据，I2C 接口就会产生一个TX_ABRT 中断
（IC_RAW_INTR[6]），清空Tx FIFO 中的数据。
5. 软件写数据到IC_DATA_CMD 寄存器（其中位8 设置为0）。
6. 软件必须先清除IC_RAW_INTA_STAT 寄存器RD_REQ 和TX_ABRT 中断（分别为
bit5，6）
7. I2C 接口释放SCL，并发送数据字节。
8. 主机器件发送重复起始条件控制总线或者发送停止条件释放总线。

从接受单字节操作：

当其他主机器件寻址I2C 接口并且发送数据，I2C 接口工作在从接收模式，步骤如下：
1. 其他I2C 主机器件初始化I2C 传输，发送地址与IC_SAR 寄存器中的从机地址匹配。
2. I2C 接口响应发送的地址，识别传输的方向是工作在从接收模式。
3. I2C 接口收到主机发送的数据并将数据存储在接收缓冲中。
4. I2C 接口产生RX_FULL 中断（IC_RAW_INTR_STAT[2]）. 如果RX_FULL 中断被屏蔽
（IC_INTR_MASK[2]=0），建议软件定期查询IC_STATUS 寄存器中。读到IC_STATUS
寄存器位3（RFNE）为1 时等效于RX_FULL 中断产生。
5. 软件通过读IC_DATA_CMD 寄存器中的bit 7：0 来获得接收到的数据。
6. 主机器件发送重复起始条件控制总线或者发送停止条件释放总线。

从机块传输操作：

标准的I2C 协议中，所有的数据处理都是单个字节的处理，程序通过写一个字节到从机的Tx FIFO 响应主机的读请求。当一个从机（从发送）接收到主机（主接收）的读请求（RD_REQ）时，最少有一个数据放到从发送的Tx FIFO。这个I2C 接口模块可以处理TxFIFO 中有多个数据，所以接下来的读请求不需要再产生中断来取数据。最终，这极大的减少了因为每次数据中断导致等待时间。该模式仅存在当I2C 接口作为从发送模式。如果主机发送响应从发送传输的数据，从机的TX FIFO 中没有数据，I2C 接口将拉低I2C 总线的SCL 线直到读请求中断（RD_REQ）产生并且TX FIFO 的数据准备好后才释放SCL 线。如果RX_REQ 中断被屏蔽（IC_INTR_STAT[5]=0），软件可以定期查询读IC_RAW_INTR_STAT寄存器。当读到IC_RAW_INTR_STAT[5] 返回为1 等效于产生了RX_REQ 中断。RD_REQ 中断由于读请求产生，像中断一样须退出中断服务程序（ISR）时清除。在中断服务程序中（ISR）可以写一个或多个字节的数据到TX FIFO。在这些字节传输给主机的过程中，如果主机响应了最后一个字节，从机将必须再次产生RD_REQ 中断请求。这是因为主机要求更多的数据。如果主机接收了来自I2C 接口的n 字节，但是程序写到Tx FIFO 中的数据个数大于n，从机在完成要求的n 字节的数据发送后，将会清空Tx FIFO 并且忽略额外的字节。

 主模式：

初始化配置：

1. 通过设置IC_ENABLE[0]=0 来禁止I2C 接口
2. 配置IC_CON 寄存器的bit 2：1 设置I2C 工作的速率模式（标准模式、快速模式）。同
时确保bit 6（IC_SLAVE_DIASBLE）为1，且bit 0（MASTER_MODE）为1。
3. 往IC_TAR 寄存器写入I2C 器件地址。设置该寄存器可配置为广播地址或起始字节命
令。
4. 置位IC_ENABLE[0] 使能I2C 接口。
5. 将传输的数据以及传输方向写入到IC_DATA_CMD 寄存器中。如果在使能I2C 接口之
前配置了IC_DATA_CMD 寄存器，数据和命令都会丢失，这是因为在I2C 接口禁止的
情况下缓冲是清空的。
以上的步骤将会使得I2C 接口产生一个起始条件并发送地址字节数据到I2C 总线上。

主发送与接收：
I2C 接口支持读写的动态切换。当发送数据时，写数据到I2C RX/TX 数据缓冲和命令寄存
器的低字节中（IC_DATA_CMD），配置CMD 位为0 产生写操作。接下来的读命令，不需
要设置IC_DATA_CMD 寄存器的低字节，只需要确保CMD 位为1。如果发送FIFO 为空，
I2C 模块拉低SCL 直到下个命令写入到发送FIFO 中。

实例代码如下：

void I2C_Master_Init()//初始化gpio
{
    RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_IOPBEN;   //使能GPIOB时钟	   	 
    RCC->APB1ENR|=RCC_APB1ENR_I2C1EN;   //使能I2C1时钟	   	 
    RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_AFIOEN;   //RCC->APB2ENR|=1<<3;  
    
    AFIO->MAPR|=1<<1;
    GPIOB->CRH=0x000000ff;//PB8和PB9复用开漏输出
    
    I2C1->IC_CON = 0x163;
    I2C1->IC_TAR = FLASH_DEVICE_ADDR>>1;
    I2C1->IC_SS_SCL_HCNT = 0x77;
    I2C1->IC_SS_SCL_LCNT = 0x55;
    I2C1->IC_RX_TL=0x0;//set Rx FIFO threshold level 
    I2C1->IC_TX_TL=0x1;//set Tx FIFO threschold level 
    I2C1->IC_INTR_MASK=0;//disable all inttrupt
    I2C1->IC_ENABLE=0x1;
    
}	

void I2CTXEmptyCheck()
{
    while(1)
    {
        if((I2C1->IC_RAW_INTR_STAT & I2C_RAW_INTR_MASK_TX_EMPTY))//发送缓冲区空
            break; 
    }
}

void I2CRXFullCheck()//判断是否为空
{
    
    I2C1->IC_DATA_CMD = I2C_DATA_CMD_CMD;//读数据指令，不可省略
    
    while(1)
    {
        if((I2C1->IC_RAW_INTR_STAT & I2C_RAW_INTR_MASK_RX_FULL))//接收缓冲区非空
            break; 
    }
    
}



void I2CTXByte(u8 data)//IIC发送函数
{
    
    
    I2C1->IC_DATA_CMD = data;//发送数据 
    while( (I2C1->IC_STATUS & 0x0004) == 0 );
    //I2CTXEmptyCheck();
}


unsigned char I2CRXByte()//IIC接收函数
{
    unsigned char temp;
    I2CRXFullCheck();
    temp=I2C1->IC_DATA_CMD;
    return temp;
}

void i2cStop(void)//IIC停止函数
{
    u16 overTime = 3000;
    
    I2C1->IC_ENABLE |= 0x02;
    
    while(I2C1->IC_ENABLE&0x02)
    {
        if(0 == overTime-- )
        {
            break;
        }			
    }
    
    I2C1->IC_CLR_TX_ABRT;
}



void I2CMasterWrite(unsigned short mem_byte_addr, unsigned short tx_count, unsigned char *tx_data)
{
    unsigned short temp;
    unsigned short i;
    unsigned char *p;
    p = tx_data;
    temp = ((mem_byte_addr) & 0xff);
    I2CTXByte(temp);  //tx memory addr
    
    for(i=0;i

时钟拉伸：

在 IIC 通信中，主设备决定了时钟速度。因为时钟脉冲信号是由主设备显式发出的。但是，当从设备没办法跟上主设备的速度时，从设备需要一种机制来请求主设备慢一点。这种机制称为时钟拉伸，而基于I²C结构的特殊性，这种机制得到实现。当从设备需要降低传输的速度的时候，它可以按下时钟线，逼迫主设备进入等待状态，直到从设备释放时钟线，通信才继续。