《STM32从零开始学习历程》——I2C协议层

《STM32从零开始学习历程》@EnzoReventon

I2C理论部分——协议层

相关资料：

I2C物理层介绍
I2C固件库介绍
STM32的I2C特性及架构介绍

参考资料：
[野火EmbedFire]《STM32库开发实战指南——基于野火霸天虎开发板》
[正点原子]STM32F4开发指南-库函数版本_V1.2
[ST]《STM32F4xx中文参考手册》

I2C的协议规定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。
起始和停止信号指用什么来表示通讯的开始和结束。
数据有效性指在时钟线(SCL)某个电平的时候对数据线(SDA)进行数据采样。

1. I2C基本读写过程

I2C写过程：

上图中，打斜杠的部分是指数据由主机传输至从机；不打斜杠部分为数据由从机传输至主机。
S表示传输开始信号。
SLAVE_ADDRESS表示从机地址。
A或者非A表示应答（ACK）或者非应答（NACK）信号。
举个例子：老师要告诉小明的数学成绩。
首先老师说：“我要开始告诉某个同学的成绩了。”————这一步被抽象成I2C通讯中的S，表示传输开始信号。
接着，老师点名小明。————这一步被抽象成I2C通讯中的SLAVE ADDRESS，表示从机地址，就是说老师需要吧成绩告诉小明，小明是一个对象，当然也就是一个地址。
老师说：“我要告诉你成绩”————这一步被抽象成I2C通讯中的R/W，在这个场景中，老师是“主机”，要告诉小明（从机）他的成绩，因此是由主机写如从机。
这时候，小明回答：“好的。”表示小明已经准备好接收老师即将汇报的成绩。————这一步被抽象成A，从机应答。这样可以保证数据发送与接收的准确性。
老师说：“小明你的数学成绩为99分。” ————DATE
小明说：“好的老师！” ————A
老师说：“小明你的语文成绩为102分。” ————DATE
小明说：“好的老师！” ————A
老师说：“小明你的语文成绩为102分。” ————DATE
…………小明没有应答。有可能是他来不及记录了。 ————非A
老师就停止报成绩。 ————P
老师报成绩是当着全班的面报的，大家都可以听到，老师是主机，各位同学们就是从机，老师向大家报小明的成绩，其实就是广播的概念，但是只能有小明响应。

以此类推读过程也是一样的。

比如说，老师让小明报数学和语文的成绩。
老师说：“我要同学给我报一下成绩。” ————S，开始标志。
老师点名小明。 ————SLAVE ADDRESS，从机地址。
老师说：“请你报你的成绩。” ————R/W 读还是写，相对于从机而言。
小明说：“好的。” ————A 白色底的A，从机响应。
小明说：“数学：99。” ————DATE，从机发送数据。
老师说：“好，下一个。” ————A 条纹底的A，主机响应。
小明说：“语文：102。” ————DATE，从机发送数据。
老师说：“好的，报完了请坐。” ————非A，数据接收完毕。
结束。————P，停止标志。

I2C复合读写过程：

一般而言，I2C复合模式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。

详细过程：

• 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§，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。

1.1 I2C通讯的起始和停止信号

• 起始(S) 和停止§ 信号是两种特殊的状态。
• 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。
  

1.2 I2C通讯的数据有效性

• I2C 使用SDA 信号线来传输数据，使用SCL 信号线进行数据同步。
• 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。

1.3 I2C通讯地址及数据方向

• 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。
  
• 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。

1.4 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。
  
• 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)。