STM32—I2C通信外设

1.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
• 支持多主机模型（可变多主机）
• 支持7位/10位地址模式（11110......)
• 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（多字节读写）
• 兼容SMBus协议，SMBus(System Management Bus)，是系统管理总线，SMBus是基于I2C总线改进而来的，主要用于电源管理系统中，SMBus和I2C非常像
• STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

硬件12C也有很多独有的优势：执行效率比较高，可以节省软件资源，功能比较强大，可以实现完整的多主机通信模型，时序波形规整，通信速率快，等等

如果你只是简单应用，可以选择比较灵活的软件I2C，如果你对性能指标要求比较高，就可以考虑一下硬件I2C

2.I2C框图

左边是这个外设的通信引脚SDA和SCL，这就是12C通信的两个引脚，这个SMBALERT是SMBus用的，12C用不到，不用管的，那像这种外设模块引出来的引脚，般都是借用GPIO口的复用模式与外部世界相连的，

首先上面这一块，是SDA，也就是数据控制部分，这里数据收发的核心部分，是这里的数据寄存器和数据移位寄存器，当我们需要发送数据时，可以把一个字节数据写到数据寄存器DR，当移位寄存器没有数据移位时，这个数据寄存器的值就会进一步转到移位寄存器里，我们就可以直接把下一个数据放到数据寄存器里等着了，一旦前一个数据移位完成，下一个数据就可以无缝衔接，继续发送，当数据由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，表示发送奇存器为空，这就是发送的流程

那在接收时，也是这路，输入的数据，一位一位地从引脚移入到移位寄存器里，当一个字节的数据收齐之后，数据就整体从移位寄存器转到数据寄存器，同时置标志位RXNE，表示接收寄存器非空，这时我们就可以把数据从数据寄存器读出来了

至于什么时候收，什么时候发，需要我们写入控制寄存器的对应位进行操作，对于起始条件、终止条件、应管位什么的，这里也都有控制电路可以完成

下面这里还有两个功能，个是比较器和自身地址寄存器、双地址寄存器，另一个是帧错误校验计算和帧错误校验寄存器，

• 比较器和地址寄存器这是从机模式使用的，刚才说了STM32的I2C是基于可变多主机模型设计的，STM32不进行通信的时候，就是从机，既然作为从机，它就应该可以被别人召唤，想被别人召唤，它就应该有从机地址吧，就可以由这个自身地址寄存器指定，我们可以自定一个从机地址，写到这个寄存器，当STM32作为从机，在被寻址时，如果收到的寻址通过比较器判断，和自身地址相同，那STM32就作为从机，响应外部主机的召唤，并且这个STM32支持同时响应两个从机地址，所以就有自身地址寄存器和双地址寄存器，这一块，我们需要在多主机的模型下来理解
• 右边这部分这是STM32设计的一个数据校验模块，当我们发送一个多字节的数据帧时，在这里硬件可以自动执行CRC校验计算，CRC是一种很常见的数据校验算法，它会根据前面这些数据，进行各种数据运算，然后会得到一个字节的校验位，附加在这个数据的后面，在接收到这一帧数据后，STM32的硬件也可以自动执行校验的判定，如果数据在传输的过程中出错了，CRC校验算法就通不过，硬件就会置校验错误标志位，告诉你数据错了，使用的时候注意点，这个校验过程就跟串口的奇偶校验差不多，也是用于进行数据有效性验证的

下面SCL的这部分，时钟控制，是用来控制SCL线的，在这个时钟控制寄存器写对应的位，电路就会执行对应的功能，然后控制逻辑电路，也是黑盒子，写入控制寄存器，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，之后是中断，当内部有一些标志位置1之后，可能事件比较紧急，就可以申请中断，如果我们开启了这个中断，那当这个事件发生后，程序就可以跳到中断函数来处理这个事件了

最后是DMA请求与响应，在进行很多字节的收发时，可以配合DMA来提高效率

3.I2C基本结构

首先移位寄存器和数据寄存器DR的配合，是通信的核心部分，这里因为l2C是高位先行，所以这个移位寄存器是向左移位，在发送的时候，最高位先移出去，然后是次高位，等等，一个SCL时钟，移位一次，移位8次，这样就能把一个字节，由高位到低位，依次放到SDA线上了

那在接收的时候呢，数据通过GPIO口从右边依次移进来，最终移8次，一个字节就接收完成了

之后GPI0口这里，使用硬件I2C的时候，这两个对应的GPIO口，都要配置成复用开漏输出的模式，复用，就是GPIO的状态是交由片上外设来控制的，开漏输出，这是12C协议要求的端口配置

然后SCL这里时钟控制器通过GPIO去控制时钟线，这里我简化成一主多从的模型了，所以时钟这里只画了输出的方向，实际上前面这里，如果是多主机的模型，时钟线也是会进行输入的

然后继续，SDA的部分，输出数据，通过GPIO，输出到端口，输入数据，也是通过GPIO，输入到移位寄存器，那这两个箭头连接在GPIO的哪个位置呢，

4.主机发送

当STM32想要执行指定地址写的时候，就要按照这个主发送器传送序列图来进行，这里有7位地址的主发送和10位地址的主发送，他们的区别就是，7位地址，起始条件后的一个字节是寻址，10位地址，起始条件后的两个字节都是寻址，其中前一个字节，这里写的是帧头，内容是5位的标志位11110+2位地址+1位读写位，然后后一个字节，内容就是纯粹的8位地址了，两个字节加一起，构成10位的寻址，这是10位地址的寻址方式

7位主发送这个时序呢，流程是起始，从机地址，应答，后面是数据1，应答，数据2，应答等等，最后是P，停止，因为12C协议只规定了起始之后必须是寻址，至于后面数据的用途，并没有明确的规定，这些数据可以由各个芯片厂商自己来规定，比如MPU6050规定就是寻址之后，数据1为指定寄存器地址，数据2为指定寄存器地址下的数据，之后的数据N，就是从指定寄存器地址开始依次往后写，这就是一个典型的指定地址写的时序流程

然后我们从头来看一下，首先，初始化之后，总线默认空闲状态，STM32默认是从模式，为了产生一个起始条件，STM32需要写入控制寄存器，手册中在这个控制寄存器CR1中，有个STAKT位，在这一位写1，就可以产生起始条件了，当起始条件发出后，这一位可以由硬件清除，所以，只要在这一位写1，STM32就自动产生起始条件了

之后，STM32由从模式转为主模式，也就是多主机模型下，STM32有数据要发，就要跳出来，这个意思，然后，控制完硬件电路之后，就要检查标志位，来看看硬件有没有达到我们想要的状态，在这里，起始条件之后，会发生EV5事件，这个EV5事件，你就可以把它当成是标志位，这个手册这里都是用EV(Event)几这个事件来代替标志位的，为什么要设计这个EV几，EV几事件，而不直接说产生什么标志位呢，这是因为，有的状态会同时产生多个标志位，所以这个EV几事件，就是组合了多个标志位的一个大标志位，在库函数中也会有对应的，检查EV几事件是否发生的函数，所以就当成是一个大标志位来理解就行了

当我们检测起始条件已发送时（EV5），就可以发送一个字节的从机地址了，从机地址需要写到数据寄存器DR中，写入DR之后硬件电路就会自动把这一个字节转到移位寄存器里，再把这一个字节发送到12C总线上，之后硬件会自动接收应答并判断，如果没有应答，硬件会置应答失败的标志位，然后这个标志位可以申请中断来提醒我们，当寻址完成之后，会发生EV6事件（地址发送结束），EV6事件结束后，是EV8_1事件，EV8_1事件就是TxE标志位=1，移位寄存器空，数据寄存器空，这时需要我们写入数据寄存器DR进行数据发送了，一旦写入DR之后，因为移位寄存器也是空，所以DR会立刻转到移位寄存器进行发送，这时就是EV8事件，移位寄存器韭空，数据寄存器空，这时就是移位寄存器正在发数据的状态，所以流程这里，数据1的时序就产生了，

在EV8后面没有了，写入DR密存器将清除该事件，所以按理说，这个位置应该是写入了下一个数据，也就是后面这个数据2，在这个时刻就被写入到数据寄存器里等着了，然后接收应答位之后，数据2就转入移位寄存器进行发送，此时的状态是移位寄存器非空，数据寄存器空，所以这时，这个EV8事件就又发生了，之后这个位置，数据2还正在移位发送，但此时下一个数据，已经被写到数据寄存器等着了，所以这个时候EV8事件消失，按照这个流程来，一旦我们检测到EV8事件，就可以写入下一个数据了，

最后，当我们想要发送的数据写完之后，这时就没有新的数据可以写入到数据寄存器了，当移位寄存器当前的数据移位完成时，此时就是移位寄存器空，数据寄存器也空的状态，这个事件就是这里的EV8_2，下面解释，EV8_2是TxE=1，也就是数据寄存器空，BTF (Bvte Transfer Finished)，这个是字节发送结束标志位，所以在这里，当检测到EV8_2时，就可以产生终止条件了，显然，应该在控制寄存器里有相应的位可以控制

5.主机接收

主机接收的流程，这里有7位主接收和10位主接收，从这个7位主接收的时序看，这里时序的流程是起始，从机地址+读，接收应答，然后就是，接收数据，发送应答，接收数据，发送应答，最后一个数据，给非应答，之后终止，可以看出，这个时序应该是当前地址读的时序

下面10位地址的当前地址读，就复杂一些，这里是，起始，发送帧头，这个帧头里的读写位，应该还是写的，因为后面还要跟着发送第二个字节的地址，之后继续发送第二个字节的8位地址，这样才能进行寻址，然后要想转入读的时序，必须再发送重复起始条件，发送帧头，这次帧头的读写位就是读的了，因为发送读的指令之后，必须要立刻转入读的时序，所以这第二个字节的地址就没有了，直接转入接收数据的时序，这是10位地址的操作流程

7位：首先，写入控制寄存器的START位，产生其实条件，然后等待EV5事件，EV5事件就代表起始条件已发送，之后是寻址，接收应答，结束后产生EV6事件，EV6事件代表，寻址已完成，之后数据1这块，代表数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6_1事件，下面解释是没有对应的事件标志，只适于接收1个字节的情况，这个EV6_1，可以看到，数据1其实还正在移位，还没收到呢，所以这个事件就没有标志位，之后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

如何配置是否要给应答呢，也是看手册:控制寄存器CR1里，这里有一位ACK:应答使能，如果写1，在接收到一个学节后就返回一个应答，写0就是不给应答，当这个时序单元结束后，就说明移位寄存器就已经成功移入一个字节的数据1了，这时，移入的一个字节就整体转移到数据奇存器，同时置RXNE标志位，表示数据寄存器非空，也就是收到了一个字节的数据，这个状态就是EV7事件，RXNE=1，数据寄存器非空，读DR寄存器清除该事件，也就是，收到数据了，当我们把数据读走之后，这个事件就没有了，上面这里，EV7事件没有了，说明此时数据1被读走，当然数据1还没读走的时候，数据2就可以直接移入移位寄存器了，之后，数据2移位完成收到数据2，产生EV7事件，读走数据2，EV7事件没有了，最后，当我们不需要继续接收时，需要在最后一个时序单元发生时，提前把刚才说的应答位控制寄存器ACK置0，并且设置终止条件请求，这就是EV7-1事件，和EV7一样后面加了一句，设置ACK=0和STOP请求，也就是我们想要结束了，之后，在这个时序完成后，由于设置了ACK=0，所以这里就会给出非应答，最后由于设置STOP位，所以产生终止条件，这样接收一个字节的时序就完成了

6.软件/硬件波形对比