I2C通信协议学习笔记

基于STM32F407ZGT6实现，个人总结记录使用。

1. 概述

  I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行通讯总线，由数据线SDA和时钟SCL构成的。I2C总线支持任何IC，每个器件有唯一的地址识别，可作为一个发送器或一个接收器，实现CPU与被控IC之间、IC与IC之间的双向传送。高速I2C总线一般可以达到400kbps以上。

  I2C总线在传送数据过程中共有三种类型的信号，分别是：开始信号、结束信号、应答信号。

  开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；

  结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据；

  应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断；若CPU未收到应答信号，判断售空单元出现故障；

  起始信号是必需的，而结束信号和应答信号是不强制要求的。

  由开发板资料了解到，ST为规避PHILIPS公司I2C专利问题，故STM32的硬件I2C设计的复杂、稳定性差。用软件模拟I2C的方式，可移植性好。

2. I2C总线通信方式

• （显然）I2C是半双工的通讯方式；

• 7位地址：固定地址（4bit）+ 可编程地址（3bit）+ 读写状态（1bit，0 - 读，1 - 写）；

  

• 8位地址：所谓8bit地址，就是厂商把地址分为了写地址和读地址，原理与7位地址相同；

• 10位地址：10bit寻址和7bit寻址是兼容的，我的理解是，在7位地址的基础上拓展地址位数，增加I2C总线上可挂载的IC设备数量；

• 保留地址：

从机地址+R/W	描述
0000 0000	呼叫地址
0000 0001	起始字节
0000 001X	CBUS地址
0000 010X	保留供不同的总线格式
0000 011X	保留将来用
0000 1XXX	HS模式主机码
1111 0XXX	10位从机地址
1111 1XXX	保留将来用

3. I2C的模式配置

• 引脚配置：

  • SCL、SDA可以配置为推挽输出、开漏输出（上拉）；
  • SCL、SDA可以配置为开漏输出、开漏输出（开漏输出可以防止多个期间存在短路，必须内部上拉（软件上拉）或外接上拉）；
  • SCL、SDA可以配置为推挽输出、推挽输出与浮空输入（切换模式）
  • （关于上述引脚配置，我的理解是，若只有一个I2C的主机设备，使用推挽输出+推挽输出即可；若有多个I2C的主机设备，应至少将SDA配置为开漏输出，原因附在下一点结尾）

• 开漏输出的作用、线与

  • 防止短路：在某些情况下，多个GPIO口可能会连接在同一根线上，存在某个GPIO输出高电平，另一个GPIO输出低电平的情况；如果使用推挽输出，你会使得这个GPIO口的VCC和另个一个GPIO的GND连接在一起，也就形成短路；换成开漏输出，VCC和GND之间会多一个电阻，故总线一般会使用开漏输出；

  • 实现线与：根据《STM32F4xx中文参考手册》7.3.10-输出配置一节，将I/O端口进行编程作为输出时，开漏模式与推挽模式的区别在于，前者输出“1”呈高阻态不激活P-MOS，后者输出“1”可激活P-MOS呈高电平（VDD）。但参考手册中的图片并没有将输出驱动器的逻辑图画明白，这里我找到了野火有关GPIO工作原理的视频中用到的图片，将下图替换掉参考手册中输出驱动器的示意部分更好理解。

    

    推挽输出模式：是根据两个MOS管的工作方式命名。在该结构中输入高电平时，经反向器变为低电平，Ug = 0，满足上房PMOS管的导通条件(Ug < Us = VDD，下方NMOS仍处于截止状态(Ug = Us = VSS)，故对外输出高电平；反之，在该结构中输入低电平时，经反向器变为高电平，Ug = 1，满足下方NMOS管的导通条件(Ug > Us)，上房PMOS管仍处于截止状态(Ug = Us)，故对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个MOS管轮流导通，PMOS负责灌电流，NMOS管负责拉电流，使此电路结构的负载能力和开关速度相比普通方式下有很大的提升。

    

    开漏输出模式：PMOS管完全不工作，若在该结构输入高电平时，经反向器变为低电平，Ug = 0，PMOS管关闭，NMOS管处于截止状态，输出呈高阻态；若在该结构输入低电平时，经反相器变为高电平，Ug = 1，PMOS管关闭，NMOS管导通，使输出接地，呈低电平输出。

  

  因此，当多个开漏输出模式引脚连接在一起时，只有当所有引脚都呈高阻态，才由上拉电阻提供高电平；若其中有一个引脚为低电平，那么整条线路上的引脚都为低电平。即**“线与”特性**；我的理解是，开漏输出模式更适合I2C总线上有多个主机设备的情况，因为主机设备要发送数据时要先将SDA拉高后再拉低，作为数据发送开始信号。而此时，若有其他主机设备的SDA处于低电平，那么此时由于“线与”特性使得该主机设备无法将SDA拉高，即有其他主机正在占用SDA数据线，暂时无法抢占。需要等到已占用的主机设备发送数据完成后，将SDA信号设置为高阻态后才可进行。

• I2C 三种模式，根据SCL与SDA保持时间长度所决定的。例如：标准模式下SCL高电平保持时间最小为4.7μs，快速模式下要求SCL高电平保持时间最小为0.7μs。

	标准模式/S	快速模式/F	高速模式
速率	100KHz	400KHz	3.4MHz
数据保持时间	无	0.9us	72/150ns
器件寻址	7bit	7bit/10bit	7bit/10bit

4. 时序分析

以软件模拟推挽输出，100KHz为例；

参数	含义	最小值	最大值
tR	SCL/SDA上升时间	-	1μs
tF	SCL/SDA下降时间	-	300ns
tHIGH	SCL高电平脉冲宽度（保持时间）	4.0μs	-
tLOW	SCL低电平脉冲宽度（保持时间）	4.7μs	-
tSU:STA	开始信号初始部分SCL高电平最小保持时间（建立时间）	4.7μs	-
tHD:STA	开始信号SDA跳变后到SCL第一个下降沿（保持时间）	4.0μs	-
tSU:DAT	数据信号建立时间	250ns	-
tHD:DAT	数据信号保持时间	0	3.45μs
tSU:STO	结束信号初始部分SCL高电平最小保持时间	4.0μs	-
tBUF	总线最小空闲间隔	4.7μs	-
fSCL	时钟频率	-	100kHz

• 开始信号：SCL - 高电平，SDA 由高→低跳变；t_SU:STA，t_HD:STA；

• 结束信号：SCL - 高电平，SDA 由低→高跳变；t_SU:STO，t_BUF；

• 应答信号：SCL - 高电平，SDA - 低电平，且SCL高电平保持时间 ≤ SDA低电平保持时间；

• 非应答信号：SCL - 高电平，SDA - 高电平，且SCL高电平保持时间 ≤ SDA高电平保持时间；

• 检测应答信号：在SCL为高电平的时候读取SDA的状态，SDA此时为输入模式，0 - 应答，1 - 非应答；在SCL为低电平时，允许数据发生变化；SDA为高电平时可以占用总线，再将SDA拉低，开始通信；若SDA为低电平时，说明SDA已经被占用；SCL为高电平时，要求数据稳定；SCL为低电平时，允许数据改变；

• 发送一个字节数据：SDA转为推挽输出模式或开漏输出模式，SCL为高电平时，要求数据稳定；SCL为低电平时，允许数据改变；

• 接收一个字节数据：SDA转为输入模式，SCL - 高电平，读取数据；

5. 代码实现

暂略

6. 其他

• I2C的上拉电阻一般选用4.7k~10kΩ之间；
• I2C协议没有规定总线上设备最大数目，但规定了总线电容不能超过400pF；所以实际应用时，因管脚、PCB都会存在电容，一般只能挂载4~8个器件；

7. 参考的资料来源

• 常用通信协议——IIC详解（全网最全）_阿波罗啦啦啦啦的博客-CSDN博客_iic
• [IIC总线解析_DingUXiu的博客-CSDN博客_iic总线](https://blog.csdn.net/jjc_c/article/details/107550341)（读写过程，后续补）
• STM32----IIC详解_冷瑾瑜的博客-CSDN博客_stm32iic
• IIC总线–基础知识及应用_机器人107的博客-CSDN博客
  .net/qq_45604814/article/details/116099878)
• IIC总线–基础知识及应用_机器人107的博客-CSDN博客
• 野火F407开发板-霸天虎视频-【入门篇】_哔哩哔哩_bilibili