【嵌入式】STM32和I2C通信

一、简介

I2C(Inter IC Bus)是有飞利浦公司开发的一种通用数据总线，主要通过两个通信线SCL和SDA进行通信，其中SCL(Serial Clock)是时钟线，用于收发双方同步数据，SDA(Serial Data)是数据线，用于传输数据。是一种同步半双工的数据总线，其有数据应答功能，支持在总线上挂载多个设备。 不少的设备，比如说常用的0.42寸的OLED显示器，MPU6050加速度传感器，AT24C02存储器模块，DS3231实时时钟模块等，都是用I2C协议

二、硬件电路分析

I2C典型电路如下：

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
• 设备的SCL和SDA都需要设置为开漏输出模式
• SCL和SDA各配置一个上拉电阻，阻值一般为4.7k欧姆
  

在I2C中，支持总线挂载多设备，主要有一主多从，多主多从两个模式。在主从控制中，CPU作为总线的主机的权利很大，一般掌握着SCL和SDA的控制，而从机只有在申请发送数据或做出应答的时候，才能从主机中获取到SDA的控制权，而SCL的控制权任何时刻都是在主机手里的。

由于主机拥有SCL的绝对控制权，主机的SC应该L配置成推挽输出，而从机的SCL设置为浮空输入或者上拉输入，时钟信号由主机发送，所有从机负责接收并且对齐时钟信号。 对于SDA，主机和从机都可能会在输入和输出之间切换，而如果时钟同步没做好，可能会出现两个设备同时对SDA进行操作的情况，如果其中一个输出高电平，另外一个输出低电平，则会导致线路短路，另外，协调电路中各个设备，使得只有一个设备在发送信息，是一件很麻烦的事情。为了避免这种情况，I2C禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置的弱上拉电阻加开漏输出的电路结构，这也是上述典型电路中的1、2点。

对于开漏输出，实际上的引脚的内部结构是只有下拉接负极的开关管，而没有接正极的上拉开关管，因此引脚只能输出0电平或者浮空，而由于外置了上拉电阻，则在浮空的时候，SDA会被外置电阻弱上拉为高电平，从而避免了同时有强下拉和强上拉的情况。这样子就杜绝了电源短路的情况。

并且这个设计开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能：如果需要输出，则直接使用开漏输出进行操作，而想要输入的时候，则不做操作，直接观察电平高低。另外，这个设计还有一个“线与”的性质，也就是只要有任意电路输出低电平，SDA总线就会处于低电平，这可以让CPU执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，这是多主多从模式的基础。同时，如果发送SDA总线处于低电平状态，则表明有人正在占用SDA

总之，这个设计有三个优点：

1. 避免线路短路
2. 兼顾输入和输出
3. 可实现多主多从

三、I2C时序基本单元

3.1 发送和接收数据

I2C规定，I2C的起始条件和终止条件如下：

起始和终止都是由主机控制，空闲的时候所有从设备都需要保持端口浮空。

发送一个字节：
SCL低电平期间，主机将数据一次放在SDA总线上，然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次重复八次，则发送一个字节。比如说首先主机拉低SCL，然后将SDA也拉低，表示发送一个0，然后保持SDA低电平，释放SCL，此时各个从设备负责读取SDA电平状态0，以此往复。如果主机进中断了，停止操作SCL和SDA，那么SCL和SDA则会保持当前状态，传输暂停，不会导致传输丢失的情况，这是同步时序的好处。

接收一个字节：
SCL低电平期间，从机将数据一次放在SDA线上，然后主机释放SCL，主机会在SCL高电平期间读取数据。所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次重复八次，则主机接收一个字节

主机接收和发送的区别是，主机接受之前需要释放SDA，而发送之前需要拉低SDA

3.2 发送和接收应答

发送应答：主机接受完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，1表示非应答
接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答。主机在接受前需要释放SDA

3.3 数据帧分析

有了上面六个切片，我们就可以将它们组成一个完整的数据帧了。

指定地址写
主机首先需要发送一个字节确定发送的对象，该字节是从机的地址。从机地址分为7位地址和10位地址，其中7位地址是厂商按芯片型号赋值的，而后三位则是可变地址，使得在挂载多个相同型号的芯片的时候可以做出区分。这个就是指定从机步骤。而一个字节有8个位，其中7位用于标识从机，另外一位是读写位，用于表示主机要进行读操作还是写操作。

主机发送指定从机字节后，目标从机会立马对主机进行应答，也就是主机发送完指定从机字节之后，主机会释放SDA，此时目标从机立马下拉SDA，表示应答，而主机在下一个SCL高电平的时候读SDA，发现自己释放SDA后，SDA仍是低电平，根据线与设计，证明电路中有设备对SDA进行了下拉操作，也就是有设备做出了应答。

一般来说，指定地址写在从机应答后，主机写的第一个字节是指定写入从机的哪一个寄存器，接着再下一个字节是写入的值

指定地址读
接下来，则根据读写位，进行主机的读写操作。如果主机发送主机读命令，那么在指定从机之后，会立马进入主机读状态，但是此时还不知道主机需要读的是从机哪一个寄存器中的值，这怎么办呢？在支持I2C的设备中，寄存器地址一般都是线性紧挨排布的。而其中会有一个地址指针(假设位于0x19)，用于指向寄存器，每次读一次，指针就会自增一次。因此比如要读取0xAA的寄存器，那么首先对指定从机发送一个写请求，将0x19的内存单元写为0xA9，然后终止。再发起一次主机读，然后指定从机接收到请求后，0x19自增1，变成0xAA，然后读出0xAA寄存器中的值。这个操作被称为**“指定地址读”**