《STM32从零开始学习历程》——STM32的I2C特性及架构

《STM32从零开始学习历程》@EnzoReventon

STM32的I2C特性及架构

相关链接：

I2C物理层介绍
I2C协议层介绍
I2C固件库介绍

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》

• 软件模拟协议：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。如果通讯数据量大，主从机数量多时这种通讯协议会对CPU产生较大的负载。
• 硬件协议：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。
• 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。

1.STM32的I2C架构图：

1. 通讯引脚：SDA，SCL，SMBA，连接到内部的电路逻辑中。SMBA有些功能与I2C共用，可以不必深究，用到的时候再去了解。
2. 时钟控制逻辑：噪声滤波器，时钟控制，时钟控制寄存器（CCR）。用来连接SCL，产生各种时钟逻辑。
3. 数据控制逻辑：噪声滤波器，数据控制，数据移位寄存器，数据寄存器，比较器，PEC寄存器，自身地址寄存器，双地址寄存器，PEC计算。用来存储接收数据。
4. 整体控制逻辑：控制寄存器（CR1和CR2），状态寄存器（SR1和SR2），控制逻辑，中断，DMA，ACK。

2.STM32的I2C通讯引脚：

STM32F407ZGT6共有3个I2C通讯接口。

引脚	I2C1	I2C2	I2C3
SCL	PB6/PB10	PF1/PB10	PA8
SDA	PB7/PB9	PF0/PB11	PC9

3.STM32的I2C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。

• 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。

T = Tl + Th
0： Tl / Th = 2
Tl = 2/3 T
Th = 1/3 T
1: Tl / Th = 16/9
Th = 9/25 T
Tl = 16/25 T

• 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：
  
  快速模式：
  
  用处是固定时钟输出。
  例如，我们的PCLK1=42MHz，想要配置400Kbit/s 的速率，计算方式如下：
  PCLK 时钟周期： TPCLK1 = 1/42000000
  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 = 35
  该结果刚好为整数，所以我们可直接把CCR取值为35，这样I2C 的SCL 实际频率即为400KHz。特别地，CCR寄存器是无法配置小数参数的，如果配置某个速率算出来CCR 的结果为小数的话，需要对结果进行取整，再配置，取整后SCL的输出频率会跟原目标频率稍微不同，取整后除了通讯稍慢或稍快一点以外，不会对I2C 的标准通讯造成其它影响。

4.STM32的I2C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。

5.STM32的I2C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)。

6.STM32的I2C通讯过程：

6.1主发送器

• 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。
• 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；
• 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，可以发送多个字节数据。

• 发送数据完成后，控制I2C设备产生一个停止信号§，这个时候会产生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都被置1，表示通讯结束。

6.2主接收器

• 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；
• 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。
• 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，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；

• 发送非应答信号后，产生停止信号§，结束传输。