18、STM32——I2C详解
I2C 通讯协议 (Inter－Integrated Circuit) 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。
多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以IIC的传输速率比不上SPI。
一、I2C 物理层
它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持设备的总线。总线从物理上来讲，就是一根根导线的集合，也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。I2C 是同步串行通信，同时它属于半双工，也就是说同一时间 SDA 只能由一个设备发送信号
(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。所有接到 I2C 总线设备上的串行数据 SDA 都接到总线的 SDA 上，各设备的时钟线 SCL 接到总线的 SCL 上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当从机设备空闲时，会输出高阻态，表示成一个断开的概念。当主机与从机进行通信，所有 I2C 设备均为高阻态，那么由于上拉和外设均为高阻态的原因，整条主线都为高电平，也就是说从机输出高阻态表现为总线为高电平；若从机为低电平，那么总线被拉低，也就是说从机输出低电平表现为总线为低电平。通过总线是高电平还是低电平来进行主机和从机间 1 0 的数据传输。（上拉电阻和高阻态表现为一种线与的特性，从机要设置成开漏输出，上拉电阻为 4.7kΩ）
当工作的从机接地时，表示从机输出低电平，此时其他从机为空闲状态（高阻态）不会对总线产生干扰； 当工作的从机想输出高电平时，从机也输出高阻态，此时总线上所有从机都空闲，而总线通过上拉电阻 而呈现高电平
(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 。
二、I2C 协议层
2.1、基本读写过程
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，表示数据传输方向是由从机传输至主机，即主机向从机读数据。
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，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，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。 - 读数据
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图，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，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。
2.2、通讯的起始和停止信号
起始和停止信号一般由主机产生：
当 SCL 线是高电平时，SDA 线由高电平向低电平切换，表示通讯的起始。
当 SCL 线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。
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。SDA 数据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输过程中 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。
2.4、地址
I2C 协议规定设备地址可以是 7 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/W)，处于第 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。
三、STM32 的 I2C 外设简介
3.1、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。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。
| I2C1 | I2C2 | |
|---|---|---|
| SCL | PB6 / PB8（重映射） | PB10 |
| SDA | PB7 / PB9（重映射） | PB11 |
3.2、数据控制逻辑
I2C 的 SDA 信号主要连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。
四、通讯过程
4.1、主发送器
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，表示起始信号已发送；
2、 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（因为是向从机写数据，所以数据已经发送到了数据移位寄存器）；
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§，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。
4.2、主接受器
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 §，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。
五、I2C 初始化结构体
I2C 初始化结构体
typedef struct
{
uint32_t I2C_ClockSpeed; // 设置 SCL 时钟频率，此值要低于 400000
uint16_t I2C_Mode; // 指定工作模式，可选 I2C 模式及 SMBUS 模式
uint16_t I2C_DutyCycle; // 指定时钟占空比，可选 low/high = 2:1 及 16:9 模式
uint16_t I2C_OwnAddress1; // 指定自身的 I2C 设备地址
uint16_t I2C_Ack; // 使能或关闭响应(一般都要使能)
uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; // 指定地址的长度，可为 7 位及 10 位
} I2C_InitTypeDef;
5.1、I2C_ClockSpeed
本成员设置的是 I2C 的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到 I2C 的时钟控制寄存器 CCR。写入的这个参数值不得高于 400KHz。实际上由于 CCR 寄存器不能写入小数类型的时钟因子，影响到 SCL 的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯稍慢一点以外，不会对 I2C 的标准通讯造成其它影响。
5.2、I2C_Mode
本成员是选择 I2C 的使用方式，有 I2C 模式 (I2C_Mode_I2C) 和 SMBus 主、从模式 (I2C_Mode_SMBusHost、 I2C_Mode_SMBusDevice ) 。I2C 不需要在此处区分主从模式，直接设置 I2C_Mode_I2C 即可。
5.3、I2C_DutyCycle
本成员设置的是 I2C 的 SCL 线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为 2:1 ( I2C_DutyCycle_2) 和 16:9 (I2C_DutyCycle_16_9)。其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以。
5.4、I2C_OwnAddress1
本成员配置的是 STM32 的 I2C 设备自己的地址， 地 址 可 设 置 为 7 位 或 10 位 。STM32 的 I2C 外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器 OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config 函数来配置，OAR2 不支持 10 位地址，只有 7位。
5.5、I2C_Ack_Enable
本成员是关于 I2C 应答设置，设置为使能则可以发送响应信号。
5.6、I2C_AcknowledgeAddress
本成员选择 I2C 的寻址模式是 7 位还是 10 位地址。这需要根据实际连接到 I2C 总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到 I2C_OwnAddress1 成员，只有这里设置成10 位模式时，I2C_OwnAddress1 才支持 10位地址。
配置完这些结构体成员值，调用库函数 I2C_Init() 即可把结构体的配置写入到寄存器中。