2019年09月28日 | 梳理STM32F429之通信传输部分---NO.2 硬件IIC

一、STM32 的 I2C 特性及架构：

只要遵守协议，就是标准的通讯，不管如何实现它，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。

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。它的 I2C 外设还支持 SMBus2.0 协议， SMBus 协议与 I2C 类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus20》文档了解。

2、STM32 的 I2C 架构剖析：

（1）通讯引脚：

 I2C 的所有硬件架构都是根据 SCL 线和 SDA 线展开的。 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，见下表。关于GPIO 引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx 规格书》，以它为准。

（2）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。

（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。

（4）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的工作状态了。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、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。

① 主发送器

下图中的是“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EV2 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了解是哪一个事件。

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，见下图：

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。

二、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“ stm32f4xx_i2c.h”及“ stm32f4xx_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，见下面代码清单。

typedef struct {

uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 设置 SCL 时钟频率，此值要低于 40 0000*/

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;

这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在 STM32 标准库中定义的宏：

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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，这里随便选就可以了。

(4) 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。

(5) 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。 该成员值一般配置为允许应答(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。

(6) 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。