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记录I2C（I2代表I的平方）学习相关笔记。

一、I2C 协议简介

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，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。 I2C和USART类似分为物理层和协议层

二、I2C协议物理层

在这里插入图片描述

1）物理层就是一个支持设备的总线，“总线”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。当然也有数量限制，但是一般不会超出总线，因为一般不会在一个总线上挂载百多个外设。 2）从图上可以看到，I2C有两条总线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。 3）主机想要访问外设，是通过外设地址来访问，每个外设都有独立的地址。 4）总线通过上拉电阻接到电源，当I2C设备空闲时候，会输出高阻态（相当于断路），需要的外设挂载到总线上，这样就不会产生访问冲突。当所有外设都空闲的时候，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。 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。（类似优先级） 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 I 2 C 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。

三、I2C协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。（与USART类似）下面框图讲解： 阴影部分代表主机主动的，空白代表从机（外设）主动的。

3.1 I2C协议的写过程

写过程就是主机向外设写入东西的过程，这里的0就是标志位。一般我们数据都是以字节来算，是8位，但是I2C总线上外设地址是7位，最后1位用0来代表写、用1来代表读。

这里解释第4步：第二步主机在总线上发起广播，我要找到对应的地址，总线的外设就自己检查自己的地址，是否和主机的一样，如果一样，那就回复主机，你要找的是我。在这里插入图片描述

3.2 I2C协议的读过程

在这里插入图片描述

3.2 I2C协议的复合读写过程

在这里插入图片描述

四、通讯的起始和停止信号

在这里插入图片描述前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 24-5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

五、数据有效性

在这里插入图片描述 I2C使用 SDA信号线来传输数据，使用 SCL信号线进行数据同步。见图 24-6。SDA数据线在 SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，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。也就是说在SCL为低电平的时候，SDA的数据可能进行交换。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

六、地址及数据方向

在这里插入图片描述 I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 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——)，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。这就是刚才说的读或则写的标志位。

七、响应

数据传输一定要有对应的响应，响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。（我还行，我不行了）作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

在这里插入图片描述传输时主机产生时钟，在第 9 个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制 SDA，若 SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

八、STM32的 I2C架构图详解

STM32 的 I2C 外设可用作通讯的主机及从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7 位、10 位设备地址，支持 DMA 数据传输，并具有数据校验功能。

在这里插入图片描述

8.1 通讯引脚

I 2 C 的所有硬件架构都是根据图中左侧 SCL 线和 SDA 线展开的(其中的 SMBA 线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。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。

引脚	I2C1	I2C2
SCL	PB5 / PB8(重映射)	PB10
SDA	PB6 / PB9重映射)	PB11

8.2 时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号，由 I 2 C 接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。配置 I2C的 CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数 1）可选择 I2C 通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别 I2C 对应 100/400Kbit/s 的通讯速率。 2）在快速模式下可选择 SCL 时钟的占空比，可选 Tlow/Thigh=2 或 Tlow/Thigh=16/9模式，我们知道 I2C 协议在 SCL 高电平时对 SDA 信号采样，SCL 低电平时 SDA准备下一个数据，修改 SCL 的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，这里随便选就可以了。 3）CCR 寄存器中还有一个 12 位的配置因子 CCR，它与 I2C 外设的输入时钟源共同作用，产生 SCL 时钟，STM32 的 I2C 外设都挂载在 APB1 总线上，使用 APB1 的时钟源 PCLK1，SCL信号线的输出时钟公式如下：在这里插入图片描述

8.3 数据控制逻辑

I2C 的 SDA 信号主要连接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一位地存储到“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。STM32 的自身 I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个 I2C设备地址，两个地址分别存储在 OAR1和 OAR2中。在这里插入图片描述

数据寄存器就像一个仓库，发送的数据从这里开始，接收的数据在这里存放。

九、通讯过程

9.1 主发送器

在这里插入图片描述蓝色的框子就像流程，红色的框子就像流程对应的时间，需要这个事件来检测上一步是否完成。

流程说明： 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”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； 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(P)，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。

9.2 主接收器

在这里插入图片描述 流程说明：

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；
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 寄存器的“ADDR”位被置 1，表示地址已经发送。
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(P)，结束传输。

十、编程实战

10.1 I2C结构体详解

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;

10.2 编程要点

配置通讯使用的目标引脚为开漏模式；
使能 I2C外设的时钟；
配置 I2C外设的模式、地址、速率等参数并使能 I2C外设；
编写基本 I2C按字节收发的函数；
编写读写 EEPROM 存储内容的函数；
编写测试程序，对读写数据进行校验。

10.3 根据结构体编程

根据霸道的原理图可以看到这样一个电路图，

在这里插入图片描述 GPIOB6和GPIOB7代表输入，我们需要打开对应的时钟。I2C我们也要打开对应的时钟。

对应APB1和APB2的时钟。然后就是初始化CPIO口，配置I2C模式。

//配置GPIO口
static void I2C_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 

	/* 使能与 I2C 有关的时钟 */
	EEPROM_I2C_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_CLK, ENABLE );
	EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_GPIO_CLK, ENABLE );
	
    
  /* I2C_SCL、I2C_SDA*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;	       // 开漏输出
  GPIO_Init(EEPROM_I2C_SCL_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SDA_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;	       // 开漏输出
  GPIO_Init(EEPROM_I2C_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);	

}
//配置I2C
static void I2C_Mode_Configu(void)
{
  I2C_InitTypeDef  I2C_InitStructure;
  /* I2C 配置 */
  I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
	/* 高电平数据稳定，低电平数据变化 SCL 时钟线的占空比 */
  I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
  I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 =I2Cx_OWN_ADDRESS7; 
  I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable ;
	/* I2C的寻址模式 */
  I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
	/* 通信速率 */
  I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_Speed;
	/* I2C 初始化 */
  I2C_Init(EEPROM_I2Cx, &I2C_InitStructure);
	/* 使能 I2C */
  I2C_Cmd(EEPROM_I2Cx, ENABLE);   
}

这里有一些宏定义

#define             EEPROM_I2Cx                                I2C1
#define             EEPROM_I2C_APBxClock_FUN                   RCC_APB1PeriphClockCmd
#define             EEPROM_I2C_CLK                             RCC_APB1Periph_I2C1
#define             EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN              RCC_APB2PeriphClockCmd
#define             EEPROM_I2C_GPIO_CLK                        RCC_APB2Periph_GPIOB     
#define             EEPROM_I2C_SCL_PORT                        GPIOB   
#define             EEPROM_I2C_SCL_PIN                         GPIO_Pin_6
#define             EEPROM_I2C_SDA_PORT                        GPIOB 
#define             EEPROM_I2C_SDA_PIN                         GPIO_Pin_7

接下来就是向外设传输数据，传输数据需要找到这个外设的地址。我们先传输一个简单的字节。所以：

//传输地址和传输的数据
void EEPROM_Byte_Write(uint8_t addr,uint8_t data)
{
		//产生起始信号
		 I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
		/* 设置超时等待时间 */
  	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;  
  	/* 判断这个起始信号是否发送完成，并进行超时处理*/	
		/* 检测 EV5 事件并清除标志*/
  	while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))  
  	{
   	 if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);
  	} 
  	/* 设置超时等待时间 */
  	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
		I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
  	/* 发送 EEPROM 设备地址 */
 		I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
 		/* 检测 EV6 事件并清除标志*/
  	while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
  	{
   		 if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(1);
  	}  
  	/* 发送要写入的 EEPROM 内部地址(即 EEPROM 内部存储器的地址) */
  	I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, WriteAddr);
  	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
  	/* 检测 EV8 事件并清除标志 */
  	while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
  	{
    	if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(2);
  	} 
  	/*检测 EV8 事件并清除标志*/
  	I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, *pBuffer); 
  	I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;  
  	/* 检测 EV8 事件并清除标志*/
  	while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
  	{
    	if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
  	} 
	  /* 发送停止信号 */
  	I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
  	return 1;
}
}

剩下的代码就不写了，因为我自己没写，只是按照视频分析。详细可以去看stm32IIC第5-7节。

stm32学习第十二天

一、I2C 协议简介

二、I2C协议物理层

三、I2C协议层

3.1 I2C协议的写过程

3.2 I2C协议的读过程

3.2 I2C协议的复合读写过程

四、通讯的起始和停止信号

五、数据有效性

六、地址及数据方向

七、响应

八、STM32的 I2C架构图详解

8.1 通讯引脚

8.2 时钟控制逻辑

8.3 数据控制逻辑

九、通讯过程

9.1 主发送器

9.2 主接收器

十、编程实战

10.1 I2C结构体详解

10.2 编程要点

10.3 根据结构体编程