【STM32】软件I2C控制频率

在上一篇文章中，我们已经介绍了整个软件I2C的实现原理，但是也遗留了一个问题，那就是I2C速率的控制，其实就是控制SCL信号的频率。

微秒级延时

在上篇文章中，我们使用了SysTick进行延时，具体如下：

    typedef enum
    {
        Standard_Mode = 100 * 1000,
        Fast_Mode = 400 * 1000,
        Fast_Mode_Plus = 1000 * 1000,
    } I2C_SW_Speed_Mode_e; //i2c速率 unit Hz

static void i2c_delay(I2C_SW_Speed_Mode_e speed_mode)
{
    uint32_t temp;
    SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8 / (speed_mode * 2);
    SysTick->VAL = 0X00; //
    SysTick->CTRL = 0X01; //
    do
    {
        temp = SysTick->CTRL; //
    }
    while((temp & 0x01) && (!(temp & (1 << 16)))); //
    SysTick->CTRL = 0x00; //
    SysTick->VAL = 0X00; //
}

关于SysTick延时的原理，可以参考这篇文章

HAL库下的systick 底层配置 HAL_Delay实现原理 微秒级延时（非中断）以及一些重写延时的小坑 关于HAL_Delay的使用问题_hal_inctick配置__zs_dawn的博客-CSDN博客

STM32入门：Systick（嘀嗒定时器）学习_我是混子我怕谁的博客-CSDN博客

在这里就说明一下Load的值怎么来的。

首先，Systick使用的是系统时钟的8分频，例如系统时钟为400MHz，8分频后为50MHz。

那么1/50000000秒即1/50微秒产生一个周期的振动。

所以，需要计数50次才会产生1微秒的时钟。也就是计数1次产生0.02微秒，精度就是0.02us。

延时验证

那么这个延时准确吗？我们怎么验证呢？网上一般都会有两种方式：

• 使用示波器观察（电平翻转延时）
• keil中使用st-link单步调试

在这里，我推荐使用keil中使用st-link单步调试的方案，至于为什么，我们下文再做解释。

首先，我们重写了一个函数

void delay_us(uint32_t delay)
{
    uint32_t temp;
    SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8 / 1000000 * delay;
    SysTick->VAL = 0X00; //
    SysTick->CTRL = 0X01; //
    do
    {
        temp = SysTick->CTRL; //
    }
    while((temp & 0x01) && (!(temp & (1 << 16)))); //
    SysTick->CTRL = 0x00; //
    SysTick->VAL = 0X00; //
}

Core Clock中配置mcu的主时钟频率，本人使用的H7 mcu，在时钟树中配置的主频为400MHz。然后打开Trace Enable。

然后打断点调试（注意，如果有些行不能打断点，可能需要调整代码编译优化等级）。

记录两个端点的时刻，然后相减就是delay_us(1);语句运行的耗时。

0.02621103s - 0.02620955s = 0.00000148s = 1.48us
0.02623537s - 0.02623389s = 0.00000148s = 1.48us
0.02620512s - 0.02620364s = 0.00000148s = 1.48us

实测了3次，平均耗时为1.48us。那么与实际值还是有一定偏差呢，对于这个现象个人觉得是正常的，因为delay_us函数中除了延时代码，还有其它代码也有需要耗时的。那是不是其他耗时就是1.48us-1.00us=0.48us呢？

当我们delay_us(2);时，测试结果如下;

0.02617987s - 0.02617736s = 0.00000251s = 2.51us
0.02619555s - 0.02619303s = 0.00000252s = 2.52us
0.02618346s - 0.02618095s = 0.00000251s = 2.51us

好像也不是固定的。。。。所以除了一个固定计数延时，还有一个不固定的其他代码耗时。但是如果只关注微秒级别的值，那么0.xxus确实可以忽略不计。

但是如果是对于1MHz的时钟频率，半周期为0.50us，那这个代码本身运行耗时是没有办法忽略不计的。这也是为什么配置时钟频率越高的时候，实际偏差越大。

高频率时钟延时

上文说到，1MHz频率的时钟，半周期为0.50us，而我们1us计数的偏差都有0.48us，所以我们使用微秒级别的延时是远远不够的。那么不能直接使用上文的delay_us函数。

又由于其他代码自身有延时，所以我们的实际计数时间得减去一个偏置值，这个偏置值是一个经验值，和编译优化等级强相关。

#define CODE_BASE_DELAY_US  (0.40f)
#define I2C_SPEED_HZ_TO_DELAY_TIME_US(speed) (1000000.0/(speed*2)-CODE_BASE_DELAY_US)

    typedef enum
    {
        Standard_Mode = 100 * 1000,
        Fast_Mode = 400 * 1000,
        Fast_Mode_Plus = 1000 * 1000,
    } I2C_SW_Speed_Mode_e; //i2c速率 unit Hz

static void i2c_delay(I2C_SW_Speed_Mode_e speed_mode)
{
    float delay = I2C_SPEED_HZ_TO_DELAY_TIME_US(speed_mode);
	
    uint32_t temp;
    SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8 / 1000000 * delay;
    SysTick->VAL = 0X00; //
    SysTick->CTRL = 0X01; //
    do
    {
        temp = SysTick->CTRL; //
    }
    while((temp & 0x01) && (!(temp & (1 << 16)))); //
    SysTick->CTRL = 0x00; //
    SysTick->VAL = 0X00; //
    //printf("delay %0.3f us\r\n",delay);
}

结果

本人的编译优化等级选择的是-Ofast,然后#define CODE_BASE_DELAY_US (0.40f)。

最终测得波形比较准确。

总结

1、当制作一个延时函数的时候（无论什么方式），当延时足够小的时候，我们就很有必要考虑这个延时函数内部代码本身运行的耗时。
2、很多地方计算SysTick->LOAD的时候会最终减1，这个应该是参考了HAL库函数里的写法。但是如果是上文中的mcu，1个计数就是0.02us，可根据实际情况决定是否减1。