MCU之I2C協議
目錄
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I2C協議
I2C 通訊協議(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司開發的，由於它引腳少，硬體實現簡單，可擴充套件性強，不需要 USART、CAN 等通訊協議的外部收發裝置，現在被廣泛地使用在系統內多個積體電路(IC)間的通訊。
對於通訊協議，我們以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協議層。物理層規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始資料在物理媒體的傳輸。協議層主要規定通訊邏輯，統一收發雙方的資料打包、解包標準。
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I2C 物理層
物理層的特點
- 支援多個通訊主機和多個通訊從機。
- 使用兩條線 時鐘線（SCL）和資料線（SDA）。
- 每個連線到匯流排的裝置都有獨立的地址。
- 匯流排通過上拉電阻接到電源。
- 多個主機同時使用匯流排時，為了防止資料衝突，會利用仲裁方式決定哪個裝置佔用匯流排。
- 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，目前大多 I 2 C 裝置不支援高速模式。
- 連線到相同匯流排的 IC 數量受到匯流排的最大電容 400pF 限制 。
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I2C協議層
- 起始訊號 ：當SCL高電平期間，SDA的下降沿為起始訊號；
- 停止訊號 ：當SCL高電平期間，SDA的上升沿為停止訊號；
- 應答訊號 ：在資料傳輸完成後第九個時鐘脈衝（SCL）期間，SDA為低電平，則為應答訊號；
- 非應答訊號： 在資料傳輸完成後第九個時鐘脈衝（SCL）期間，SDA為高電平，則為非應答訊號；
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STM32的硬體I2C
- I2C輸出引腳，應配置為複用開漏輸出。
- 控制通訊的頻率，標準模式100KHZ，快速模式400KHZ，快速模式下可以選擇SCL時鐘的佔空比，STM32的I2C在APB1總線上。
- 資料邏輯控制，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。
- 整體控制邏輯，控制邏輯的工作模式根據我們配置的“控制暫存器(CR1/CR2)”的引數而改變。在外設工作時，控制邏輯會根據外設的工作狀態修改“狀態暫存器(SR1 和 SR2)”，我們只要讀取這些暫存器相關的暫存器位，就可以瞭解 I2C的工作狀態。除此之外，控制邏輯還根據要求，負責控制產生 I2C中斷訊號、DMA請求及各種 I2C的通訊訊號(起始、停止、響應訊號等)。
主傳送器傳送流程及事件說明如下：
(1) 控制產生起始訊號(S)，當發生起始訊號後，它產生事件“EV5”，並會對 SR1 寄
存器的“SB”位置 1，表示起始訊號已經發送；
(2) 緊接著傳送裝置地址並等待應答訊號，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”位被置 1，ADDR 為 1 表
示地址已經發送，TXE 為 1表示資料暫存器為空；
(3) 以上步驟正常執行並對 ADDR 位清零後，我們往 I2C 的“資料暫存器 DR”寫入
要傳送的資料，這時 TXE 位會被重置 0，表示資料暫存器非空，I2C 外設通過
SDA 訊號線一位位把資料傳送出去後，又會產生“EV8”事件，即 TXE 位被置 1，
重複這個過程，就可以傳送多個位元組資料了；
(4) 當我們傳送資料完成後，控制 I2C 裝置產生一個停止訊號(P)，這個時候會產生
EV8_2事件，SR1的 TXE 位及 BTF 位都被置 1，表示通訊結束。假如我們使能了 I2C 中斷，以上所有事件產生時，都會產生 I2C 中斷訊號，進入同一個中斷服務函式，到 I2C中斷服務程式後，再通過檢查暫存器位來判斷是哪一個事件。
主接收器接收流程及事件說明如下：
(1) 同主傳送流程，起始訊號(S)是由主機端產生的，控制發生起始訊號後，它產生事
件“EV5”，並會對 SR1暫存器的“SB”位置 1，表示起始訊號已經發送；
(2) 緊接著傳送裝置地址並等待應答訊號，若有從機應答，則產生事件“EV6”這時
SR1暫存器的“ADDR”位被置 1，表示地址已經發送。
(3) 從機端接收到地址後，開始向主機端傳送資料。當主機接收到這些資料後，會產
生“EV7”事件，SR1 暫存器的 RXNE 被置 1，表示接收資料暫存器非空，我們
讀取該暫存器後，可對資料暫存器清空，以便接收下一次資料。此時我們可以控
制 I2C 傳送應答訊號(ACK)或非應答訊號(NACK)，若應答，則重複以上步驟接收
資料，若非應答，則停止傳輸；
(4) 傳送非應答訊號後，產生停止訊號(P)，結束傳輸。
在傳送和接收過程中，有的事件不只是標誌了我們上面提到的狀態位，還可能同時標
志主機狀態之類的狀態位，而且讀了之後還需要清除標誌位，比較複雜。我們可使用
STM32標準庫函式來直接檢測這些事件的複合標誌，降低程式設計難度。
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軟體模擬I2C
stm32的硬體IIC一直是令人詬病的地方，以至於很多情況下我們不得不選擇使用模擬IIC的方式來在stm32上進行iic通訊。
軟體模擬I2C簡單方便，不必為繁瑣的事件檢測而費心。
- 起始訊號 ：當SCL高電平期間，SDA的下降沿為起始訊號；
- 停止訊號 ：當SCL高電平期間，SDA的上升沿為停止訊號；
- 應答訊號 ：在資料傳輸完成後第九個時鐘脈衝（SCL）期間，SDA為低電平，則為應答訊號；
- 非應答訊號： 在資料傳輸完成後第九個時鐘脈衝（SCL）期間，SDA為高電平，則為非應答訊號；
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部分通訊邏輯
起始訊號
//起始訊號
void iic_start()
{
SCL_1
SDA_1
iic_delay(); //簡單的延時函式
SDA_0
iic_delay();
SCL_0
iic_delay();
}停止訊號
//結束訊號
void iic_stop()
{
SDA_0
SCL_1
iic_delay();
SDA_1
}
應答訊號
//應答訊號
void iic_ack()
{
SDA_0
iic_delay();
SCL_1
iic_delay();
SCL_0
iic_delay();
SDA_1
}
非應答訊號
//非應答訊號
void iic_nack()
{
SDA_1
iic_delay();
SCL_1
iic_delay();
SCL_0
iic_delay();
}-
附錄
IIC程式碼（硬體IIC & 軟體IIC）：https://github.com/kks1234/STM32/tree/master/13.IIC%E9%80%9A%E4%BF%A1