STM32學習筆記（8）——I2C總線設備

一、I2C協議簡介

I2C通訊協議 (Inter-Integrated Circuit，讀作I平方C、I方C) 是由Phiilps公司開發的，由于它引腳少，硬體實作簡單，可擴展性強，不需要USART、CAN等通訊協議的外部收發設備，現在被廣泛地使用在系統內多個集成電路間的通訊，

1. 物理層

（感謝野火的PPT，一部分內容參考了野火）如下圖所示即為I2C的物理層：

下面來簡要介紹物理層需要了解的知識點：

• 總線： 多個設備共用的信號線，有兩條：一條雙向串行資料線 (SDA)，一條串行時鐘線 (SCL)，
• 主機和從機： 總線上掛載著多個通訊主機和通訊從機，每個連接到總線的從機設備都有獨一無二的通訊地址，主機通過這些地址對從機設備進行訪問，一般來說，總線上掛載著五六個從機和一個主機就夠用了，
• 通訊： 當主機與從機正在進行通訊的時候，從機設備輸出低電平，將總線拉成低電平，其他設備輸出高阻態，不能參與通訊，
• 上拉電阻： 兩條總線均通過上拉電阻連接到電源，當所有從機設備空閑時，這些設備會輸出高阻態，由上拉電阻把總線拉成高電平，這些設備就相當于與總線斷開了，

如果不是用高阻態表示高電平而是用接地表示，那么當一個設備通訊時，這個設備接電源，整個總線通過上拉電阻也接了電源，其他未通訊設備接地，就把其它設備短路掉了，

• 仲裁： 當有多個設備想跟主機通訊時，為防止資料沖突，會采用仲裁的方式（類似DMA）決定由哪個設備占用總線，在通訊分點已經說明了一次通訊只能有一個主機和一個從機，
• 傳輸模式： 標準模式傳輸速率為 100kbit/s，快速模式為 400kbit/s，高速模式下可達 3.4Mbit/s，但目前大多I2C設備尚不支持高速模式，一般情況下快速模式就已經夠了，
• 注意： 連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF 限制，

2. 協議層

這個部分的內容相當重要，它是我們后面寫代碼的基礎，

（1）主機寫資料到從機

一個資料包的組成如下：

• 圖例： 條紋框：資料由主機傳輸到從機；白色框：資料由從機傳輸到主機，
• S（傳輸開始信號）： 主機向總線廣播，說，我要開始通訊了！至于向誰通訊呢？待會再說，
• SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的設備！I2C總線上的每個設備都有自己的獨立地址，主機發起通訊時，通過SDA信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機，設備地址可以是7位或10位，
• R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個設備寫入資料，R/W置為0，表示我要寫入！這個設備，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的資料，
• A（應答位）： 設備發送應答信號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以作業，你說！
• DATA（資料）： 主機說，那好我們開始吧！開始發送資料，一共n位元組，發完以后，主機問，設備你收到了嗎？設備說，收到（ACK）！現在寫入資料，并發送一個應答信號給主機，如此往復，便實作了寫的程序，
• A（應答位）： 最后一次資料寫入后，設備說，夠了夠了，不要再寫了，并發送一個非應答信號（NACK，Not Acknowledged）給主機，
• P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴設備，我停止訪問了！于是設備重新拉回高阻態，

（2）主機由從機讀資料

一個資料包的組成如下：

• 圖例： 條紋框：資料由主機傳輸到從機；白色框：資料由從機傳輸到主機，
• S（傳輸開始信號）： 主機向總線廣播，說，我要開始通訊了！至于向誰通訊呢？待會再說，
• SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的設備！這個地址是7位或10位長，
• R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個設備寫入資料，R/W置為1，表示我要讀資料！這個設備，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的資料，
• A（應答位）： 設備發送應答信號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以作業了！
• DATA（資料）： 設備接著開始發送資料給主機，一共n位元組，發完以后，設備問，主機你收到了嗎？主機說，收到（ACK）！如此往復，便實作了讀的程序，
• A（應答位）： 最后一次讀資料后，主機說，我不想再讀了，并發送一個非應答信號（NACK，Not Acknowledged）給設備，
• P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴設備，我停止訪問了！于是設備重新拉回高阻態，

（3）讀和寫交替進行

這個就是以上讀和寫的復合格式，關鍵在于主機的讀寫位，主機想要讀就用讀的格式，主機想要寫就用寫的格式，

（4）信號和時鐘的配合

通訊起始和停止

• 當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始，
• 當 SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止，
• 起始和停止信號一般由主機產生，

資料有效性

SDA資料線在SCL的每個時鐘周期傳輸一位資料，

• 當SCL為高電平時，SDA表示的資料有效，即此時的SDA為穩定高電平時表示資料“1”，為穩定低電平時表示資料“0”，
• 當SCL為低電平時，SDA的資料無效，一般在這個時候SDA趁機（你可以這么理解）進行電平切換，為下一次表示資料做好準備，

回應

傳輸時主機產生時鐘，在第9個時鐘時，資料發送端會釋放SDA的控制權，由資料接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應答信號(NACK)，低電平表示應答信號(ACK)，

二、STM32中的I2C總線

首先宣告一下，STM32的硬體I2C是有缺陷的，因此我們基本都是用軟體模擬I2C！ 但是下面這些內容還是要了解一下，初學不必深入，

1. I2C框圖

本部分可參考STM32中文參考手冊第24章I2C介面，

下面將框圖分為四個部分做簡要介紹：

（1）通訊引腳

STM32芯片有兩個I2C外設，它們的I2C通訊信號引出到不同的GPIO引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳，

SCL、SDA引腳和編號對應關系如下（可參考電路原理圖）：

需要注意的是：在 SMBus 模式下， SMBALERT 是可選信號，如果禁止了 SMBus ，則不能使用該信號，

SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 是1995年由Intel提出的，應用于移動PC和桌面PC系統中的低速率通訊，希望通過一條廉價并且功能強大的總線（由兩條線組成），來控制主板上的設備并收集相應的資訊，SMBus 為系統和電源管理這樣的任務提供了一條控制總線，使用 SMBus 的系統，設備之間發送和接收訊息都是通過 SMBus，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節省設備的管腳數，

（2）時鐘控制邏輯

本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.8時鐘控制暫存器(I2C_CCR)，

I2C時鐘是由時鐘控制暫存器控制的，暫存器位15可設定標準模式或快速模式，位14可設定快速模式下的占空比（THIGH/TLOW），位11-0設定SCL時鐘的配置因子CCR，CCR的計算程序了解即可（PCLK1 = APB1，默認36MHz）：

（3）資料控制邏輯

SDA信號主要連接到資料移位暫存器上，資料移位暫存器的資料
來源及目標是資料暫存器(DR)、地址暫存器(OAR)、PEC暫存器以及SDA資料線，（感覺與USART作業原理比較類似，也是一位一位的發送、接收，）

（4）整體控制邏輯

本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.1 控制暫存器 1(I2C_CR1)和24.6.2 控制暫存器 2(I2C_CR2)以及24.6.6 狀態暫存器 1(I2C_SR1)和24.6.7 狀態暫存器 2 (I2C_SR2)，

整體控制邏輯負責協調整個I2C外設，控制邏輯的作業模式根據我們配置的控制暫存器(CR1/CR2)的引數而改變，在外設作業時，控制邏輯會根據外設的作業狀態修改狀態暫存器(SR1
和SR2)，只要讀取這些暫存器相關的暫存器位，就可以了解I2C的作業狀態，需要注意的暫存器幾個位：

CR1暫存器：位10（ACK）、位9（STOP）、位8（START），

SR1暫存器：位7（TxE：資料暫存器為空(發送時) (Data register empty (transmitters)) ）、位6（RxNE：資料暫存器非空(接收時) (Data register not empty (receivers)) ）、位1（ADDR：地址已被發送(主模式)/地址匹配(從模式) (Address sent (master mode)/matched
(slave mode))）、位0（SB：起始位(主模式) (Start bit (Master mode)) ），

SR2暫存器：位2（TRA：發送/接收 (Transmitter/receiver) ）、位1（BUSY：總線忙 (Bus busy)），

2. STM32的I2C通訊程序

本部分可參考STM32中文參考手冊24.3.3 I2C主模式，同時文字內容借鑒了野火PPT，本部分比較重要，也是我們寫I2C代碼的基礎，

（1）主發送器通訊程序

如圖所示，上面一行是控制暫存器要發送接收的內容，下面一行是狀態暫存器標志的內容，庫函式就是通過檢測這些狀態暫存器來判斷這些事件是否已完成，

• 當發生起始信號（S）后，產生事件EV5，并會對SR1暫存器的SB位置1，表示起始信號已經發送，
• 發送設備地址并等待應答信號，若有從機應答，則產生事件EV6及EV8，這時SR1暫存器的ADDR位及TXE位置1，ADDR為1表示地址已經發送，TXE為1表示資料暫存器為空，
• 往DR暫存器寫入要發送的資料，這時SR1暫存器的TXE位置0，表示資料暫存器非空，I2C外設通過SDA信號線一位位把資料發送出去后，又會產生EV8事件，即TXE位置1，重復這個程序，可以發送多個位元組資料，
• 發送資料完成后，控制I2C設備產生一個停止信號（P），這個時候會產生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都置1，表示通訊結束，

（2）主接收器通訊程序

如圖所示，上面一行是控制暫存器要發送接收的內容，下面一行是狀態暫存器標志的內容，庫函式就是通過檢測這些狀態暫存器來判斷這些事件是否已完成，

• 起始信號(S)是由主機端產生的，控制發生起始信號后，產生事件EV5，并會對SR1暫存器的SB位置1，表示起始信號已經發送，
• 發送設備地址并等待應答信號，若有從機應答，則產生事件EV6，這時SR1暫存器的ADDR位置1，表示地址已經發送，
• 從機端接收到地址后，開始向主機端發送資料，當主機接收到這些資料后，會產生EV7事件，SR1暫存器的RXNE置1，表示接收資料暫存器非空，讀取該暫存器后，可對資料暫存器清空，以便接收下一次資料，此時可以控制I2C發送應答信號(ACK)或非應答信號(NACK)，若應答，則重復以上步驟接收資料，若非應答，則停止傳輸，
• 發送非應答信號后，產生停止信號§，結束傳輸，

3. I2C的結構體定義和庫函式

位于頭檔案stm32f10x_i2c.h，結構體定義如下：

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;          /*!< 設定SCL時鐘頻率*/
  uint16_t I2C_Mode;                /*!< 設定作業模式*/
  uint16_t I2C_DutyCycle;           /*!< 設定時鐘占空比*/
  uint16_t I2C_OwnAddress1;         /*!< 指定自身I2C設備地址 */
  uint16_t I2C_Ack;                 /*!<  回應使能或關閉回應使能*/
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!<  指定地址長度（7或10位）*/
}I2C_InitTypeDef;

這里著重說明一下I2C_OwnAddress1，這個是配置I2C設備自己的地址，對于STM32主機設備，可以不用關心這個地址位，但是如果是兩個MCU進行通訊的話，是必須要進行配置的，這個地址是7位還是10位，取決于I2C_AcknowledgedAddress，只有它設定為10位模式，I2C_OwnAddress1才能使用10位地址，

部分常用庫函式如下：

//初始化
void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_StructInit(I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);

//產生起始條件、終止條件、使能應答、設定設備的第二個地址
void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_OwnAddress2Config(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address);

//發送資料、接收資料、發送地址、讀取I2C的暫存器
void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Data);
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);
uint16_t I2C_ReadRegister(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t I2C_Register);

//清除標志位、獲得標志位（重要）、標志位中斷
void I2C_ClearFlag(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG);
ITStatus I2C_GetITStatus(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
void I2C_ClearITPendingBit(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);

配置流程如下：

#ifndef  __I2C_H
#define  __I2C_H
#include "stm32f10x.h"

/****** 選擇使用：I2C1 ******/

/******  宏定義區  ******/
#define I2C_CLK_SPEED	400000

/* STM32設備地址可隨意定義，只要與EEPROM地址不重合即可 */
#define STM32_ADDR 		0x5F
#define EEPROM_ADDR   	0xA0

#define SCL_PORT_CLK 	RCC_APB2Periph_GPIOB
#define SDA_PORT_CLK 	RCC_APB2Periph_GPIOB
#define I2Cx_CLK		RCC_APB1Periph_I2C1

#define I2Cx			I2C1
#define SCL_GPIO_PORT   GPIOB
#define SDA_GPIO_PORT   GPIOB
#define SCL_GPIO_PIN	GPIO_Pin_6
#define SDA_GPIO_PIN	GPIO_Pin_7

/******  函式宣告區  ******/
void I2C_Config(void);

#endif /* __I2C_H */



/**
  * @brief  I2C初始化配置
  * @param  無
  * @retval	無
  */
void I2C_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	I2C_InitTypeDef  I2C_InitStructure;
	
	/* 開啟SCL和SDA時鐘 */
	RCC_APB1PeriphClockCmd(SCL_PORT_CLK | SDA_PORT_CLK, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(I2Cx_CLK, ENABLE);
	
	/* 配置SCL對應的GPIO */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SCL_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置SDA對應的GPIO */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置I2C */
	I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_CLK_SPEED;
	I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
	I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
	I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = STM32_ADDR;
	I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
	I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
	I2C_Init(I2Cx, &I2C_InitStructure);
	I2C_Cmd(I2Cx, ENABLE);
}

受篇幅限制，I2C相關內容未完待續···