2019年09月28日 | 再造STM32---第十九部分：I2C—读写 EEPROM

       本章参考资料：《STM32F4xx 参考手册》、《STM32F4xx 规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》及《I2C 总线协议》。

       若对 I2C 通讯协议不了解，可先阅读《I2C 总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS，可阅读《smbus20》文档。

       关于 EEPROM 存储器，请参考“ 常用存储器介绍”章节， 实验中的 EEPROM，请参考其规格书《AT24C02》来了解。

19.1 I2C协议简介：

       I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、 CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

① I2C物理层：

I2C物理层的特点

• 它是一个支持多设备的总线。“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 I2C的协议层：

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。

1. I2C基本读写过程：

主机写数据到从机：

主机由从机中读数据：

通讯复合格式：

2.通讯的起始和停止信号：

• 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。

3.数据有效性：

I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

• 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。

4.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。设备地址可以是7位或10位。

• 紧跟设备地址的一个数据位R/W用来表示数据传输方向， 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。

5.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。

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)。

19.2 STM32的I2C特性及架构：

        软件模拟协议：使用CPU直接控制通讯引脚的电平，产生出符合通讯协议标准的逻辑。

        硬件实现协议：由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。

        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。

19.3 STM32的I2C架构剖析：

• 通讯引脚

• 时钟控制逻辑

• 数据控制逻辑

• 整体控制逻辑

1.通讯引脚：

        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，以《STM32F4xx规格书》 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。

• 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。

• CCR寄存器中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外设输入时钟源为PCLK1。

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。

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)” ，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。

19.4 STM32的I2C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，通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

1.主发送器

① 主发送器通讯过程

• 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；

• 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；

• 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，可以发送多个字节数据；

• 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。

② 主接收器

• 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；

• 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。

• 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，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；

• 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。

19.5 I2C初始化结构体详解

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;

• I2C_ClockSpeed

        设置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

       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

       设置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。

• I2C_OwnAddress1

       配置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。

• I2C_Ack_Enable

        配置I2C应答是否使能， 设置为使能则可以发送响应信号。 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。

• I2C_AcknowledgeAddress

        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。