22、江科大stm32视频学习笔记——I2C通信外设原理

目录

1、软件实现和硬件实现

2、I2C外设简介 

3、硬件I2C外设引脚和GPIO复用关系

4、I2C的功能图

（1）数据控制部分

（2）SCL部分

5、I2C基本结构

6、主机发送

（1）7位主发送的过程

（2）其他知识点

7、主机接收

8、软件和硬件之间的比较

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1、软件实现和硬件实现

• 串口通信为异步时序，用软件实现很麻烦，基本上用硬件实现
• 而I2C协议通信为同步时序，软件实现简单且灵活，硬件实现比较麻烦，故软件比较常用
• 但I2C硬件实现功能比较大，执行效率高，节省软件资源，可以实现完整的多主机通信模型，时序波形归整，通信速率快
• 故I2C软件实现用于简单环境，若性能要求高，则硬件实现

2、I2C外设简介 

• STM32 内部集成了硬件 I2C 收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻CPU的负担

（软件只需要写入控制寄存器CR和数据寄存器DR，就可以实现协议，为了实现实时监控时序的状态，软件要读取状态寄存器SR）

• 支持多主机模型（固定多主机和可变多主机（stm32，谁要做主机，主机就得跳出来））

• 支持 7 位 /10位地址模式

• 支持不同的通讯速度，标准速度 ( 高达 100 kHz) ，快速 ( 高达 400 kHz)

• 支持 DMA（多字节传输时，提高效率）

• 兼容 SMBus 协议

• STM32F103C8T6 硬件 I2C 资源： I2C1 、 I2C2（两个独立I2C，硬件只有俩路I2C总线，而软件I2C只要代码存的下，想开几路就开几路）

本实验依旧是7位、一个主机 

3、硬件I2C外设引脚和GPIO复用关系

 4、I2C的功能图

（1）数据控制部分

• 数据收发的核心部分：数据寄存器和数据移位寄存器 
• 发送数据时，将数据放在数据寄存器，当没有移位时候，数据从数据寄存器转运到移位寄存器，同时，下一个数据送到数据寄存器，然后移位寄存器将数据给SDA，数据寄存器中的数据给移位寄存器，如此往复
• 当数据寄存器转到移位寄存器时，就会置状态寄存器的TXE位为1，表示发送寄存器为空

 接收数据

•  接收数据时，从SDA转到移位寄存器，再转到数据寄存器，同时置标志位RXNE，表示接受寄存器非空，这时候可以把数据从数据寄存器读出来
• 比较器和地址寄存器时从机模式使用（即再stm32不进行通信的时候，这个stm32支持同时响应两个从机地址）

（2）SCL部分

• 时钟控制：控制SCL线
• 时钟控制寄存器（CCR）:写对应的位，电路就会执行对应的功能
• 控制逻辑电路：写入控制寄存器（CR1/CR2），就可以对整个电路进行控制
• 读取状态寄存器，可以得知电路的工作状态
• 中断：当内部有一些标志位置1后，可能事件比较紧急，就可以申请中断
• 如果开启中断，当事件发生后，程序可以跳转到中断函数处理事件

 5、I2C基本结构

• 发送数据（从数据控制器到SDA）：因为I2C是高位先行，所以移位寄存器是向左移位，在发送和的时候，最高位先移出去，然后是次高位，一次SCL时钟移位一次，移动8次，就把一个字节由高位到低位，一次放到SDA线上
• 接收数据：数据从SDA经GPIO口，从右边一次移进来，最终移动8次，一个字节就接收完成

• 使用硬件I2C：两个GPIO口，都要配置成复用开漏输出模式
  复用就是GPIO的状态由片上外设来控制
  开漏输出：时I2C协议要求的端口配置（GPIO口依旧可以输入）

6、主机发送

（1）7位主发送的过程

TxE=1表示数据寄存器空，BTF字节发送结束标志位
SB=1,表示起始条件已经发送
（1）初始化之后：总线默认空闲状态，stm32默认是从模式
（2）stm32需要写入控制寄存器产生起始条件：
控制寄存器CR1中，有个START位，写1，可以产生起始条件，起始条件发生后，这一位由硬件清除，不需要手动侵清除
之后stm32从从模式转换成主模式
（3）检查标志位
EV5事件：SB(start bit)=1，表示起始条件已经发送
（4）发送从机地址：需要写到数据寄存器DR中，写入后，硬件自动把这个字节转到移位寄存器中，再把这个字节发送到IIC总线上
之后硬件会自动接收应答并判断，若没有应答，硬件会置应答失败的标志位，标志位可以申请中断来提醒我们
（5）寻址完成之后，会发生EV6事件，ADDR=1，代表在主模式下发送结束
（6）EV8_1事件：TxE=1，移位寄存器和数据寄存器为空，写入数据寄存器DR进行数据发送，一旦写入DR，因为
移位寄存器也是空的，所以DR会立刻转到移位寄存器进行发送
（7）EV8事件：TxE=1，移位寄存器非空，数据寄存器空，这移位寄存器正在发数据的状态，故数据1的时序产生
一旦检测到EV8事件，就可以写入下一个数据
（8）EV8_2事件：写完后，没有数据可以写了

（2）其他知识点

• 起始位-地址-应答-数据位-应答-.......-终止位
• I2C只规定起始位后面时地址，后面数据的用途没有明确的规定（由芯片厂商自己规定）
• 比如MPU6050规定：寻址之后，数据1为指定寄存器地址，数据2为指定寄存器下的数据，之后的数据n，就是从指定寄存器的地址之后依次往后写

7、主机接收

 这里是当前地址读的模式

（1）首先写入start位，产生起始条件，等EV5事件，EV5事件代表起始条件已经发送，

（2）之后是寻址，接收应答，结束后产生EV6事件，代表寻址已经完成

（3）数据1这块，代表数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6-1事件，从上图可以看出，数据正在移位，还没收到，所以事件没有标志位，当这个时序单元完成时，硬件会自动根据我们的配置，把应答位发送出去（ACK应答使能，写1，在接收到一个字节后就返回一个应答，写0不给应答），当时序单元完成后，表示移位寄存器已经成功移入一个字节的数据1，这时，移入的一个字节就整体转移到数据寄存器中，同时置RxNE标志位，表示数据寄存器非空，也就是收到一个字节的数据，这个状态就是EV7事件

（4）当把数据读走后，EV7事件就没有了

（5）EV7_1：结束

（6）由于设置了ACK=0,所以会给出非应答，最后由于设置STOP位，所以产生终止条件

8、软件和硬件之间的比较

（1）硬件IIC的波形比较规整，软件IIC由于添加了延时，时钟周期、占空比可能不规整

SCL低电平写，高电平读（默认下降沿写，上升沿读，硬件IIC数据写入，都是紧贴着下降沿，SCL下降沿，SDA立马切换数据）

（2）在硬件中，应答结束后，从机立刻释放SDA，同时主机立刻拉低SDA，故出现尖锋