2020年01月09日 | STM32系统学习——I2C （读写EEPROM）

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)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。 

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。 

物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。 

一、I2C物理层 

它的物理层有如下特点： 

(1) 它是一个支持设备的总线。“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。 

(2) 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。 

(3) 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。 

(4) 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。 

(5) 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。 

(6) 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。 

(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

二、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、基本读写过程 

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。 

根据 I2C协议，这个从机地址可以是 7位或 10位。 

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反。 

从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。 

写数据 

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复，可以向从机传输 N 个数据，这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

读数据 

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。 

读和写数据 

除了基本的读写，I2C 通讯更常用的是复合格式，即第三幅图，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。 

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下： 

2、通讯的起始和停止信号 

起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态。 

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。传输时，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。I2C 协议规定设备地址可以是 7 或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第 8位或第 11位。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。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

三、STM32的I2C结构与特性 

如果我们直接控制 STM32的两个GPIO引脚，分别用作 SCL及 SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制 LED 灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取 SDA 电平)，就可以实现 I2C 通讯。同样，假如我们按照 USART 的要求去控制引脚，也能实现 USART 通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它，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。 

1、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。 

2.框架解析* 

1）通讯引脚 

I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧 SCL 线和 SDA 线展开的(其中的 SMBA 线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。 

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。 

I2C1 I2C2 

SCL I2C1 :PB5 / PB8(重映射) I2C2: PB10 

SDA I2C1:PB6 / PB9(重映射) I2C2:PB11 

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。 

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，我们知道 I2C 协议在 SCL 高电平时对 SDA 信号采样，SCL 低电平时 SDA准备下一个数据，修改 SCL 的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，随便选就可以了。 

CCR 寄存器中还有一个 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 外设都挂载在 APB1 总线上，使用 APB1 的时钟源 PCLK1，SCL信号线的输出时钟公式如下： 

例如，我们的 PCLK1=36MHz，想要配置 400Kbit/s 的速率，计算方式如下： 

PCLK时钟周期： TPCLK1 = 1/36000000 

目标 SCL时钟周期： TSCL = 1/400000 

SCL时钟周期内的高电平时间： THIGH = TSCL/3 

SCL时钟周期内的低电平时间： TLOW = 2*TSCL/3 

计算 CCR的值： CCR = THIGH/TPCLK1 = 30 

计算结果得出CCR为30，向该寄存器位写入此值则可以控制IIC的通讯速率为400KHz，其实即使配置出来的 SCL 时钟不完全等于标准的 400KHz，IIC 通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由 SCL协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。 

3）数据控制逻辑 

I2C 的 SDA 信号主要连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。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)。

四、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 

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，表示起始信号已发送； 

(2) 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EV8_2 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判断是哪一个事件。

2、主接收器 

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。

五、I2C初始化结构体 

初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f10x_i2c.h”及“stm32f10x_i2c.c”中。

I2C 初始化结构体

 typedef struct {

 uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 设置 SCL 时钟频率，此值要低于 400000*/

 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;

(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。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 I 2 C 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。 

(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，只有 7位。 

(5) I2C_Ack_Enable 

本成员是关于 I 2 C 应答设置，设置为使能则可以发送响应信号。本实验配置为允许应答(I2C_Ack_Enable)，这是绝大多数遵循 I 2 C 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。

六、读写EEPROM实验 

EEPROM 是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM芯片最常用的通讯方式就是I 2 C协议，本小节以EEPROM的读写实验为大家讲解 STM32的 I 2 C使用方法。实验中 STM32的 I2C外设采用主模式，分别用作主发送器和主接收器，通过查询事件的方式来确保正常通讯。 

（本实验板中的 EEPROM 芯片(型号：AT24C02)的 SCL及 SDA 引脚连接到了 STM32 对应的I2C引脚中，结合上拉电阻，构成了I2C通讯总线，它们通过I2C总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有 7 位，其中高 4 位固定为：1010 b，低 3 位则由 A0/A1/A2 信号线的电平决定，图中的 R/W是读写方向位，与地址无关。） 

按照我们此处的连接，A0/A1/A2均为0，所以EEPROM的7位设备地址是：101 0000b ，即 0x50。由于 I2C 通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个 8 位数，且当 R/W 位为0 时，表示写方向，所以加上 7 位地址，其值为“0xA0”，常称该值为 I2C 设备的“写地址”；当 R/W 位为 1 时，表示读方向，加上 7 位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。 

EEPROM 芯片中还有一个 WP 引脚，具有写保护功能，当该引脚电平为高时，禁止写入数据，当引脚为低电平时，可写入数据，我们直接接地，不使用写保护功能。 

关于 EEPROM 的更多信息，可参考其数据手册《AT24C02》来了解。若您使用的实验板 EEPROM 的型号、设备地址或控制引脚不一样，只需根据我们的工程修改即可，程序的控制原理相同。 

1、编程要点 

为了使工程更加有条理，我们把读写 EEPROM 相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_i2c_ee.c”及“bsp_i2c_ee.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于 STM32 标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。 

(1) 配置通讯使用的目标引脚为开漏模式； 

(2) 使能 I2C外设的时钟； 

(3) 配置 I2C外设的模式、地址、速率等参数并使能 I2C外设； 

(4) 编写基本 I2C按字节收发的函数； 

(5) 编写读写 EEPROM 存储内容的函数； 

(6) 编写测试程序，对读写数据进行校验。

2、I2C 硬件相关宏定义 

我们把 I2C 硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_i2c_ee.h”文件中。

1 /**************************I2C 参数定义，I2C1 或 I2C2*********************/

2 #define EEPROM_I2Cx I2C1

3 #define EEPROM_I2C_APBxClock_FUN RCC_APB1PeriphClockCmd

4 #define EEPROM_I2C_CLK RCC_APB1Periph_I2C1

5 #define EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN RCC_APB2PeriphClockCmd

6 #define EEPROM_I2C_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB

7 #define EEPROM_I2C_SCL_PORT GPIOB

8 #define EEPROM_I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_6

9 #define EEPROM_I2C_SDA_PORT GPIOB

10 #define EEPROM_I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_7

11 

12 /* STM32 I2C 快速模式 */

13 #define I2C_Speed 400000 //*

14

15 /* 这个地址只要与 STM32 外挂的 I2C 器件地址不一样即可 */

16 #define I2Cx_OWN_ADDRESS7 0X0A

17 

18 /* AT24C01/02 每页有 8 个字节 */

19 #define I2C_PageSize 8

以上代码根据硬件连接，把与 EEPROM通讯使用的 I2C号 、引脚号都以宏封装起来， 

并且定义了自身的 I2C地址及通讯速率，以便配置模式的时候使用。

3、初始化 I2C 的 GPIO 

利用上面的宏，编写 I2C GPIO 引脚的初始化函数。

1 static void I2C_GPIO_Config(void)

2 {

3 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

4 

5 /* 使能与 I2C 有关的时钟 */

6 EEPROM_I2C_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_CLK, ENABLE );

7 EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_GPIO_CLK, ENABLE );

8 

9 /* I2C_SCL、I2C_SDA*/