第14章 I2C协议简介

第十四章 I2C协议简介

IIC（Inter-Integrated Circuit（集成电路总线））_百度百科 (baidu.com)

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。

1. I2C物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式见图：

它的物理层有如下特点：

它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。
一个I2C总线只使用两条总线线路，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。
每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
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。
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I2C设备尚不支持高速模式。
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

2. 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。

2.1 I2C基本读写过程

先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图:

这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。

其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是7位或10位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

写数据

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

读数据

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

读和写数据

除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

2.1.1 通讯的起始和停止信号

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：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。（总结：起始信号就是保持SCL（时钟线）高电平，SAD（数据线）下降沿，停止信号就相反咯）

2.1.2 数据有效位

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：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。（也就是说要保证数据有效，那么我们的SCL（时钟线）要一直保持高电平啦）

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。

2.1.3 地址及数据方向

I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。 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/)，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。

读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

2.1.4 响应

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。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。见图：

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)。（总结：SDA（数据线）高电平结束，低电平应答）

3. STM32的I2C特性及架构

如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)，就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管我们如何实现它，不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器，都能按通讯标准交互。

由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。

相对地，还有“硬件协议”方式，STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来， CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

3.1 STM32的I2C外设简介

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。

3.2 STM32的I2C架构剖析

3.3 通讯引脚

I2C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

屏幕截图 2024 08 04 154025

3.4 时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号，由I2C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：

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。
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。
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：

屏幕截图 2024 08 04 154126

例如，我们的PCLK1=36MHz，想要配置400Kbit/s的速率，计算方式如下：

PCLK时钟周期： TPCLK1 = 1/36000000

目标SCL时钟周期： TSCL = 1/400000

SCL时钟周期内的高电平时间： THIGH = TSCL/3

SCL时钟周期内的低电平时间： TLOW = 2*TSCL/3

计算CCR的值： CCR = THIGH/TPCLK1 = 30

计算结果得出CCR为30，向该寄存器位写入此值则可以控制IIC的通讯速率为400KHz，其实即使配置出来的SCL时钟不完全等于标准的400KHz， IIC通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由SCL协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。

3.5 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。

3.6 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

3.7 通讯过程

使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

3.7.1 主发送器

图中的是“主发送器”流程，即作为I2C通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。

主发送器发送流程及事件说明如下：

(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。

假如我们使能了I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

3.7.2 主接收器

再来分析主接收器过程，即作为I2C通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图：

主接收器接收流程及事件说明如下：

(1) 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；

(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”这时SR1寄存器的“ADDR”位被置1，表示地址已经发送。

(3) 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。

在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用STM32标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。

4. I2C初始化结构体详解

跟其它外设一样，STM32标准库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f10x_i2c.h”及“stm32f10x_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对I2C外设运用自如了。

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;

I2C_ClockSpeed

本成员设置的是I2C的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到I2C的时钟控制寄存器CCR。而我们写入的这个参数值不得高于400KHz。实际上由于CCR寄存器不能写入小数类型的时钟因子，影响到SCL的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯稍慢一点以外，不会对I2C的标准通讯造成其它影响。

I2C_Mode

本成员是选择I2C的使用方式，有I2C模式(I2C_Mode_I2C)和SMBus主、从模式(I2C_Mode_SMBusHost、 I2C_Mode_SMBusDevice ) 。 I2C不需要在此处区分主从模式，直接设置I2C_Mode_I2C即可。

I2C_DutyCycle

本成员设置的是I2C的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为2：1 ( I2C_DutyCycle_2)和16：9 (I2C_DutyCycle_16_9)。其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以。

I2C_OwnAddress1

本成员配置的是STM32的I2C设备自己的地址，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位或10位(受下面I2C_AcknowledgeAddress成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置，OAR2不支持10位地址，只有7位。

I2C_Ack_Enable

本成员是关于I2C应答设置，设置为使能则可以发送响应信号。本实验配置为允许应答(I2C_Ack_Enable)，这是绝大多数遵循I2C标准的设备的通讯要求，改为禁止应答(I2C_Ack_Disable)往往会导致通讯错误。

I2C_AcknowledgeAddress

本成员选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到I2C_OwnAddress1成员，只有这里设置成10位模式时，I2C_OwnAddress1才支持10位地址。

配置完这些结构体成员值，调用库函数I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

5. 举例说明

下面我们简单举例一下练练手：

假设你要配置一个 I2C 外设，设置为主机模式，时钟频率为 100 kHz，时钟占空比为 2:1，自身地址为 0x50，启用 ACK，使用 7 位地址。

#include "stm32f10x.h"

I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

void I2C_Config(void)
{
    // 使能 I2C1 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    // 配置 I2C 初始化结构体
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000; // 设置时钟频率为 100 kHz
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C; // 设置为 I2C 模式
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 设置占空比为 2:1
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x50; // 设置自身地址为 0x50
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; // 使能 ACK
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; // 使用 7 位地址
    // 初始化 I2C1
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
    // 使能 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

int main(void)
{
    I2C_Config();
    while (1)
    {
        // 主循环代码
    }
}

说明

时钟频率：I2C_ClockSpeed 设置 I2C 的时钟频率。
模式：I2C_Mode 设置工作模式。
占空比：I2C_DutyCycle 调整时钟信号的占空比。
自身地址：I2C_OwnAddress1 设置设备在总线上的地址。
ACK：I2C_Ack 启用数据应答。
地址长度：I2C_AcknowledgedAddress 选择地址的位数。

读取 LM75 温度传感器的数据

硬件连接

SDA 连接到 STM32F103 的 I2C1_SDA（通常是 PB7）
SCL 连接到 STM32F103 的 I2C1_SCL（通常是 PB6）
LM75 的地址为 0x90（假设其默认地址为 0x48，左移一位得到 0x90）

#include "stm32f10x.h"

#define LM75_ADDRESS 0x90
#define LM75_TEMP_REG 0x00

void I2C_Config(void);
void I2C_ReadLM75Temp(uint8_t* temp);

int main(void)
{
    uint8_t temperature = 0;
    // 初始化 I2C1 外设
    I2C_Config();
    while (1)
    {
        // 读取 LM75 温度数据
        I2C_ReadLM75Temp(&temperature);
        // 在这里可以处理读取到的温度数据，例如输出到串口或显示在 LCD 上
        // 延时一段时间
        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

void I2C_Config(void)
{
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
    // 使能 I2C1 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    // 使能 GPIOB 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    // 配置 I2C1 GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    // 配置 I2C 初始化参数
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    // 初始化 I2C1
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
    // 使能 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

void I2C_ReadLM75Temp(uint8_t* temp)
{
    // 开始 I2C 通信
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    // 等待直到 START 生成完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_SB));
    // 发送 LM75 地址 + 写操作
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, LM75_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
    // 等待直到地址传输完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_ADDR));
    (void)I2C1->SR2;  // 清除 ADDR 标志
    // 发送温度寄存器地址
    I2C_SendData(I2C1, LM75_TEMP_REG);
    // 等待直到数据传输完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_TXE));
    // 生成 STOP 信号
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
    // 等待直到 STOP 生成完成
    while (I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_STOPF));
    // 重新开始 I2C 通信
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    // 等待直到 START 生成完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_SB));
    // 发送 LM75 地址 + 读操作
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, LM75_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
    // 等待直到地址传输完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_ADDR));
    (void)I2C1->SR2;  // 清除 ADDR 标志
    // 等待直到数据接收完成
    while (!I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_RXNE));
    *temp = I2C_ReceiveData(I2C1);
    // 生成 STOP 信号
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

说明

初始化 I2C 外设：

配置 I2C1 的 GPIO 引脚（PB6 和 PB7）。
设置 I2C 时钟频率为 100 kHz，启用 ACK，设置地址模式为 7 位。

读取 LM75 温度数据：

通过 I2C 发送温度寄存器地址。
生成 STOP 信号后，重新开始通信。
读取温度数据并存储在 temp 变量中。

2024.8.30 第一次修订，后期不再维护

2025.1.15 优化内容

posted @ 2024-08-30 11:25 hazy1k 阅读(499) 评论(2) 收藏举报

刷新页面返回顶部

hazy1k