STM32 I2C详解

STM32 I2C详解

I2C简介

• I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

• 两根通信线：

  • SCL（Serial Clock）串行时钟线，使用同步的时序，降低对硬件的依赖，同时同步的时序稳定性也比异步的时序更高。
  • SDA（Serial Data）串行数据线，半双工，一根线兼具发送和接收，最大化利用资源。

• 同步，半双工

• 带数据应答

• 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

  • 一主多从 单片机作为主机，主导I2C总线的运行，挂载在I2C总线的所有外部模块都是从机，从机只有被主机点名之后才能控制I2C总线，不能在未经允许的情况下去碰I2C总线，防止冲突。

  这就像是在教室里，老师是主机主导课程的进行，所有学生都是从机，所有从机可以同时被动地听老师讲课，但是从机只有在被老师点名之后才能说话，不可以在未经允许的情况下说话，这样课堂才能有条不紊地进行。

  • 多主多从 在总线上任何一个模块都可以主动跳出来，成为新的主机。

  这就像是在教室里，老师正在讲课，突然有个学生站起来说，老师打断一下，接下来让我来说，所有同学听我指挥，但是，同一个时间只能有一个人说话。这时就相当于发生了总线冲突，在总线冲突时，I2C协议会进行仲裁，仲裁胜利的一方取得总线控制权，失败的一方自动变成从机。由于时钟线也是由主机控制的，所以在多主机的模型下，还要进行时钟同步。

硬件电路

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

• 禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻和开漏输出的结构。

  • 完全杜绝了电源短路的现象，保证电路的安全。
  • 避免了引脚模式的频繁切换。
  • 这个模式会有一个线与的现象，只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平，只有所有的设备都输出高电平，总线才处于高电平，I2C可以利用这个电路特性，执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁。

一主多从模型

• 主机 CPU就是单片机，作为总线的主机，主机的权利很大，包括对SCL线的完全控制，任何时候，都是主机完全掌控SCL线，另外在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机。
• 从机 被控IC也就是挂载在I2C总线上的从机，这些从机可以是姿态传感器、OLED、存储器、时钟模块等等，从机的权利比较小，对于SCL时钟线，在任何时刻都只能被动地读取，从机不允许控制SCL线，对于SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制，只有在主机发送读取从机的命令后，或者从机应答的时候，从机才能短暂地取得SDA的控制权。

I2C时序基本单元

• 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA都处于高电平状态，也就是没有任何一个设备去碰SCL和SDA，SCL和SDA由外挂的上拉电阻拉高至高电平，总线处于平静的高电平状态，当主机需要进行数据收发时，首先要打破总线的宁静，产生一个起始条件，这个起始条件就是：

• SCL处于高电平不去动它，然后把SDA拽下来，产生一个下降沿，当从机捕获到这个SCL高电平，SDA下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤。
• 然后在SDA下降沿之后，主机要再把SCL拽下来，拽下SCL，一方面是占用这个总线，另一方面也是为了方便我们这些基本单元的拼接，除了起始和终止条件，每个时序单元的SCL都是以低电平开始，低电平结束。，这样这些单元拼接起来，SCL才能连续。

• 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

SCL先放手，回弹到高电平，SDA再放手，回弹到高电平，产生一个上升沿，这个上升沿触发终止条件，同时终止条件之后，SCL和SDA都是高电平，回归到最初的平静状态。

这个起始和终止条件就类似串口时序里的起始位和停止位，一个完整的数据帧，总是以起始条件开始，终止条件结束，另外，起始和终止，都是由主机产生的，从机不允许产生起始和终止，所以在总线空闲状态时，从机必须始终双手放开，不允许主动跳出来，去碰总线。

• 主机发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

最开始SCL是低电平，主机如果想发送0，就拉底SDA到低电平，如果想发送1，就放手，SDA就回弹到高电平，在SCL低电平期间，允许改变SDA的电平，当这一位放好之后，主机就松手时钟线，SCL回弹到高电平，在高电平期间，是从机读取SDA的时候，所以高电平期间，SDA不允许变化，SCL处于高电平之后，从机需要尽快地读取SDA，一般都是在上升沿这个时刻，从机就读取完成了，因为时钟是主机控制的，从机并不知道什么时候就会产生下降沿，所以从机在上升沿时，就会立刻把数据读走。主机在放手SCL一段时间后，就可以继续拉低SCL，传输下一位了。主机也需要在SCL下降沿之后尽快把数据放在SDA上，但是主机有时钟的主导权，所以主机并不需要很着急，只需要在低电平的任意时刻把数据放在SDA上就行了。数据放完之后，主机再松手SCL，SCL高电平，从机读取这一位。

主机拉低SCL，把数据放在SDA上，主机松开SCL，从机读取SDA的数据。在SCL的同步下，依次进行主机发送和从机接收，循环8次，就发送了8位数据，也就是一个字节。

高位先行，所以第一位时一个字节的最高位bit 7，然后依次是次高位 bit 6，最后发送最低位 bit 0，这与串口不同，串口时序是低位先行，I2C是高位先行。

由于这里有时钟线进行同步，如果主机一个字节发送一半，突然进中断了，不操作SCL和SDA了，那时序就会在中断的位置不断拉长，SCL和SDA都暂停变化，传输也完全暂停，等中断结束后，主机回来继续操作，传输仍然不会出问题，这就是同步时序的好处。

由于这整个时序是主机发送一个字节，所以在这个单元里，SCL和SDA全程由主机掌控，从机只能被动读取

• 主机接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

释放SDA其实就相当于切换成输入模式，或者可以这样理解，所有设备包括主机都始终处于输入模式，当主机需要发送的时候，就可以主动去拉低SDA,而主机在被动接收的时候，就必须先释放SDA，不要去动它，以免影响别人发送，因为总线是线与的特征，任何一个设备拉低了，总线就是低电平，如果你接收的时候，还拽着SDA不放手，那别人无论发什么数据，总线都始终是低电平。

主机在接收之前要释放SDA，这时从机就取得了SDA的控制权，从机需要发送0，就把SDA拉低，从机需要发送1，就放手，SDA回弹到高电平，然后同样的，低电平变换数据，高电平读取数据，实线部分表示主机控制的电平，虚线部分表示从机控制的电平，SCL全程由主机控制，SDA主机在接收前要释放，交由从机控制，之后还是一样，因为SCL时钟是由主机控制的，所以从机的数据变换基本上都是贴着SCL下降沿进行的，而主机可以在SCL高电平的任意时刻读取，这就是接收一个字节的时序。

• 主机发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答。

主机在接收从机发来的一个字节之后，我们也要给从机发送一个应答位，发送应答位的目的是告诉从机，是否还要继续发送，如果从机发送一个数据之后，得到了主机的应答，那从机就还会继续发送，如果从机没得到主机的应答，那从机就会认为，我发送了一个数据，主机不想接收，这时从机就会释放SDA，交出SDA的控制权，防止干扰主机之后的操作。

• 从机接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）。

我们在调用发送一个字节之后，就要紧跟着调用接收应答的时序，用来判断从机有没有收到刚才给它的数据，如果从机收到了，那在应答位这里，主机释放SDA的时候，从机就应该立刻把SDA拉下来，然后在SCL高电平期间，主机读取应答位，如果应答位为0，就说明从机确实收到了。

I2C时序

• 指定地址写

• 对于指定设备（Slave Address 从机地址），在指定地址（Reg Address 寄存器地址）下，写入指定数据（Data）

• 空闲状态时，SCL和SDA都是高电平，然后主机需要给从机写入数据的时候，SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始条件(Start S),在起始条件之后，紧跟着的时序，必须是发送一个字节的时序，字节的内容必须是从机地址+读写位，从机地址是7位，读写位是1位，加起来正好是1个字节8位，发送从机的地址，就是确定通信的对象，发送读写位，就是确认接下来是要写入还是要读出。

• SCL低电平期间，SDA变换数据，SCL高电平期间，从机读取SDA，这里用绿色的线，来标明了从机读到的数据，比如一开始，从机收到的第一位就是高电平1，然后SCL低电平，主机继续变换数据，因为第二位还是1，所以这里SDA电平没有变换，然后SCL高电平，从机读到第二位是1，之后继续，低电平变换数据，高电平读取数据，第三位就是0，这样持续8次，就发送了一个字节数据，其中这个数据的定义是，高7位，表示从机地址，比如这个波形下，主机寻找的从机地址就是1101 000，这个就是MPU6050的地址。

• 然后最低位，表示读写位，0表示，之后的时序主机要进行写入操作，1表示，之后的时序主机要进行读出操作，这里是0，说明之后我们要进行写入操作， 目前，主机是发送了一个字节，字节的内容转换为16进制，高位先行，就是0xD0，然后根据协议规定，紧跟着的单元，就得是接收从机的应答位（Receive Ack，RA），在这个时刻，主机要释放SDA，所以如果单看主机的波形，释放SDA之后，引脚电平回弹到高电平，但是根据协议规定，从机要在这个位拉低SDA，所以单看从机波形，从机该应答的时候，立刻拽住SDA，然后应答结束之后，从机再放开SDA，那现在综合两者的波形，结合线与的特性，在主机释放SDA之后，由于SDA也被从机拽住了，所以主机松手后，SDA并没有回弹高电平，这个过程就代表从机产生了应答，最终高电平期间，主机读取SDA，发现是0，就说明，主机进行寻址，从机给主机应答，传输没问题。如果主机读取SDA，发现是1，就说明，主机进行寻址，应答位期间，主机放开SDA，但是没有从机拽住SDA，没有从机给主机应答，那就直接产生停止条件，并提示一些信息，这就是应答位。

• 然后这个上升沿，就是应答位结束之后，从机释放SDA产生的，从机交出了SDA的控制权，因为从机要在低电平尽快变换数据，所以这个SDA的上升沿和SCL的下降沿，几乎是同时发生的，由于之前我们读写位给了0，所以应答结束后，我们要继续发送一个字节，同样的时序再来一遍，第二个字节，就可以送到指定设备的内部了，从机设备可以自己定义第二个字节和后续字节的用途，一般第二个字节可以是寄存器地址或者是指令控制字等，比如MPU6050定义的第二个字节就是寄存器地址，比如AD转换器，第二个字节可能就是指令控制字，比如存储器，第二个字节可能就是存储器地址，图示这里，主机发送这样一个波形，数据位0001 1001，即，主机向从机发送了0x19这个数据，在MPU6050中就表示，主机要操作0x19地址下的寄存器了，接着同样，是从机应答，主机释放SDA，从机拽住SDA，SDA表现为低电平，主机收到应答位为0，表示收到了从机的应答。

• 然后继续，同样的流程再来一遍，主机再发送一个字节，这个字节就是主机想要写入到0x19地址下寄存器的内容了，比如我这里发送了0xAA的波形，就表示，主机要在0x19地址下，写入0xAA,最后是接收应答位，如果主机不需要继续传输了，就可以产生停止条件(Stop,P)，在停止条件之前，先拉低SDA，为后续SDA的上升沿做准备，然后释放SCL，再释放SDA，这样就产生了SCL高电平期间，SDA的上升沿，这样一个完整的数据帧就拼接完成了。

这个数据帧的目的就是，对于指定从机地址为1101000的设备，在其内部0下0x19地址的寄存器，写入0xAA这个数据，这就是指定地址写的时序。

• 如果想写入多个字节，就可以重复多次发送一个字节和接收应答，这样第一个数据就写入到了指定地址0x19的位置，注意，写入一次数据后，地址指针会自动+1，变成0x1A,所以第二个数据就写入到了0x1A的位置，同理第三个数据就写入的是0x1B的位置，以此类推，这样这个时序就进阶为，在指定的位置开始，按顺序连续写入多个字节，比如你需要连续写入多个寄存器，就可以考虑这样操作，这样在一个数据帧里，就可以同时写入多个字节，执行效率会会比较高。
• 同理当前位置读和指定位置读，也可以多次执行最后一部分时序，由于地址指针在读后也会自增，所以这样就可以连续读出一片区域的寄存器，效率也会非常高。
• 注意，如果只想读一个字节就停止的话，在读完一个字节之后，一定要给从机发个非应答（Send Ack，SA），非应答，就是该主机应答的时候，主机不把SDA拉低，从机读到SDA为1，就代表主机没有应答，从机收到非应答之后，就知道主机不想要继续了，从机就会释放总线，把SDA控制权交还给主机，如果主机读完仍然给从机应答了，从机就会认为主机还想要数据，就会继续发送下一个数据，而这时，主机如果想产生停止条件，SDA可能就会因为被从机拽住了，而不能正常弹回到高电平，如果主机想连续读取多个字节，就需要在最后一个字节给非应答，而之前的所有字节都要给应答。
• 简单来说就是，主机给应答了，主机就会继续发，主机给非应答了，从机就不会再发了，交出SDA的控制权，从机控制SDA发送一个字节的权利，开始于读写标志位为1，结束于主机给应答位1，这就是主机给从机发送应答位的作用。

• 当前地址读
• 对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

• 最开始，SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始条件，起始条件开始后，主机必须首先调用发送一个字节，来进行从机的寻址和指定读写标志位，比如图示的波形，表示本次寻址的目标是1101 000的设备，同时最后一位读写位标志为1，表示主机接下来想要读取数据，紧跟着，发送一个字节之后，接受一下从机应答位，从机应答0，代表从机收到了第一个字节。
• 在从机应答位之后，从这里开始，数据的传输方向就要反过来了，因为刚才主机发出了读的指令，所以这之后，主机就不能继续发送了，要把SDA的控制权交给从机，主机调用接收的一个字节的时序，进行接受操作，然后在这一块，从机就得到了主机的允许，可以在SCL低电平期间写入SDA，然后主机在SCL高电平期间读取SDA，那最终，主机在SCL高电平期间依次读取8位，就接收到了从机发送的一个字节数据，0000 1111也就是0xF，也就是0x0F。
• 那现在问题就来了，这个0x0F是从机哪个寄存器的数据呢，我们看到，在读的时序中，I2C协议的规定是，主机进行寻址时，一旦读写标志位给了1，下一个字节就要立马转为读的时序，所以主机还来不及指定，我想要读哪个寄存器，就得开始接收了，所以这里就没有指定地址的这个环节，那主机并没有指定寄存器的地址，从机到底该发哪个寄存器的数据呢，这就需要用到我们上面说的当前地址指针了。
• 在从机中，所有的寄存器被分配到了一个线性区域中，并且，会有一个单独的指针变量，指示着其中一个寄存器，这个指针上电默认，一般指向0地址，并且，每写入一个字节和读出一个字节后，这个指针就会自动自增依次，移动到下一个位置，那么在调用当前地址读的时序时，主机没有指定要读哪个地址，从机就会返回当前指针指向的寄存器的值，那假设，我刚刚调用了这个指定地址写的时序，在0x19的位置写入了0xAA，那么指针就会+1,移动到0x1A的位置，我再调用这个当前地址读的时序，返回的就是0x1A地址下的值，如果再调用一次，返回的就是0x1B地址下的值，依次类推，这就是当前地址读时序的逻辑。由于当前地址读，并不能指定读的地址，所以这个时序用的不是很多。

• 指定地址读

• 对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

• 将指定地址写中的前面一部分指定地址的时序（把最后面的写数据这一部分去掉），然后把前面这一段设置地址，还没有指定些什么数据的时序，给它追加到这个当前地址读时序的前面，就得到了指定地址读的时序，一般我们也把它称作复合格式，下面的时序可分为两部分，前面一部分是指定地址写，但是只指定了地址，还没来得及写，后面的部分是当前地址读，因为我们刚指定了地址，所以再调用当前地址读，两者加在一起，就是指定地址读了。

• 首先最开始，仍然是启动条件，然后发送一个字节，进行寻址，这里指定从机地址是1101000，读写标志位是0，代表我们要进行写操作，经过从机应答之后，再发送一个字节，第二个字节用来指定地址，这个数据就写入到从机的地址指针里了，也就是说，从机接收到这个数据之后，他的寄存器指针就指向了0x19这个位置。

• 之后，我们要写入的数据不给他发，而是直接再来个起始条件，这个Sr（Start Repeat）的意思就是重复起始条件，相当于另起一个时序，因为指定读写标志位只能跟着起始条件的第一个字节，所以如果想切换读写方向，只能再来个起始条件，然后起始条件后，重新寻址并且指定读写标志位，此时读写标志位是1，代表我要开始读了，接着，主机接收一个字节，这个字节就是0x19下的数据，这就是指定地址读。

• 另外，在Sr之前，也可以加一个停止条件，这样就是两个完整的时序了，先起始，写入地址，停止，因为写入的地址会存在地址指针里面，所以这个地址并不会因为时序的停止而消失，我们就可以再起始，都当前位置，停止，这样两条时序也可以完成任务，但是I2C协议官方规定的复合格式就是一整个数据帧，就是先起始再重复起始再停止，相当于把两条时序拼接成一条了。

通信协议的时序是一个很重要的东西，我们只要理解清楚了这个时序的意义，就可以按照它协议的规定，去翻转通信引脚的高低电平，只要我们反转产生的这个时序波形，满足了通信协议的规定，那通信双方就能理解并解析这个波形，这样，通信自然而然就实现了。

软件I2C，手动拉低或释放时钟线，然后再手动对每个数据位进行判断，拉低或释放数据线，这样来产生时序波形。由于I2C是同步时序，对每一位的持续时间要求不严格，某一位的时间长点短点，或者中途暂停一会儿时序，影响都不大。

串口是异步时序，每一位的时间要求很严格，不能过长也不能过短，更不能中途暂停一会。

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（由硬件电路来自动翻转引脚电平，软件只需要写入控制寄存器CR和数据寄存器DR，就可以实现协议了，为了实时监控时序的状态，软件还得读取状态寄存器SR，来获取外设电路的状态信息）。

• 支持多主机模型（I2C通信，分为主机和从机，主机，就是拥有主动控制总线的权利，而从机，只能在主机允许的情况下，才能控制总线，在一主多从的模型下，只有唯一一个主机，可以挂载多个从机，主机操控所有从机。

  • 固定多主机 有两个或更多固定的主机，挂载多个从机，从机可以被任意一个主机控制，当有多个主机都想控制总线时，就是总线冲突状态，这时就要进行总线仲裁了，仲裁失败的一方让出总线控制权。

  • 可变多主机 可以在总线上挂载多个设备，总线上没有固定的主机和从机，任何一个设备，都可以在总线空闲时跳出来作为主机，然后指定其他任何一个设备进行通信，当这个通信完成之后，这个跳出来的主机就要退回到从机的位置。当有多个从机想要跳出来作为主机时，就是总线冲突状态，这时就要进行总线仲裁，仲裁失败的一方让出总线控制权。

• 支持7位/10位地址模式

  • 7位地址只有128种情况，如果挂载的设备非常多，会不够用。如果一条总线必须要挂载128个以上的设备，那7位地址必然是不够用的，另外，如果有非常多的厂商都来申请I2C的地址，那也必然会有部分型号的芯片，它们的地址是一样的，对于不同芯片地址一样，由于地址的低位通常是可配置的，地址高位都一样，配置低位不一样即可，只要不在一个总线上挂载过多的设备就行。（另外确实需要很多的设备，条件允许的情况下，也可以开辟多条I2C总线，所以地址的问题，一般好解决）
  • 10位地址，最多就有1024种情况了
    • I2C起始之后的第一个字节，必须是寻址+读写位，这一个字节只能有7位地址，那只需要再规定，起始之后的前两个字节，都作为寻址，就可以实现10位地址模式了，并将第一个字节的前5位作为标志位。因为，当发送第一个字节之后，无法判断后面这个字节还是不是寻址，所以这就需要再第一个字节写个特定的数据，作为10位寻址模式的标志位，这个标志位就是11110，也就是如果你第二个字节也是寻址，那第一个字节的前5位就必须是11110，那么第一个字节剩下的两位，和第二个字节的8位都作为寻址，就实现了10位地址寻址。

• 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 在多字节传输的时候可以提高传输效率，比如指定地址读多字节、写多字节的时序，如果想要连续读或写非常多的字节，那用一下DMA自动帮我们转运数据，可以提高整个过程的效率。

• 兼容SMBus协议 SMBus(System Management Bus)，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。

• STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

I2C框图

• I2C的通信引脚SDA和SCL，（SMBus的通信引脚SMBALERT），这种外设模块引出来的引脚，一般都是借用GPIO口的复用模式与外部电路相连，查询引脚定义表可知，I2C2_SCL和I2C2_SDA分别复用在了PB10和PB11这两个端口，I2C1_SCL和I2C1_SDA分别复用在了PB6和PB7这两个端口，另外I2C1这两个引脚，还可以重映射到PB8和PB9这两个引脚。
• I2C是半双工，数据收发是同一组数据寄存器和移位寄存器
  • 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，这个数据寄存器中的值就会转到移位寄存器里，在移位的过程中，就可以直接把下一个数据放到数据寄存器里等待了，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，表示发送寄存器为空，这就是发送的流程。
  • 当我们要接收数据时，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，数据就整体地从一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。
  • 至于什么时候收发数据，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、应答位也都有控制电路可以完成。
• 比较器和地址寄存器是从机模式使用的，因为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，就可以被主机召唤，所以就应该有从机地址，而这个从机地址就可以由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。
• 数据校验模块，当我们发送一个多字节的数据帧时，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，附加在这个数据帧的后面，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检验算法就通不过，硬件就会置校验错误标志位，告知数据错误。
• 时钟控制，用来控制SCL线，在时钟控制寄存器写对应的位，电路就会执行对应的功能。
• 控制逻辑寄存器，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。
• 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。
• 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。

I2C基本结构

• 移位寄存器和数据寄存器DR的配合，是通信的核心部分。由于I2C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。
  • 在接收的时候，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。
• GPIO口这里，使用硬件I2C的时候，都要配置成复用开漏输出的模式，复用就是GPIO口的状态是交由片上外设来控制的，开漏输出是I2C协议要求的端口配置，即使配置成开漏输出模式，GPIO口也是可以进行输入的。
• SCL这里，时钟控制器通过GPIO去控制时钟线。
• SDA这里，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。
  • 开漏输出时，P_MOS无效，移位寄存器输出的数据，通向GPIO，就接在了来自片上外设——复用功能输出这个位置，之后控制N_MOS的通断，进而控制这个I/O引脚，是拉低到低电平还是释放悬空。
  • 对于输入部分，可以看到，虽然这是复用开漏输出，但是输入这一路仍然有效，I/O引脚的高低电平，通过复用功能输入，进入片上外设，来进行复用功能的输入。
• 开关控制 I2C_Cmd（）使能外设

主机发送

• 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，需要写入控制寄存器（在START位写1），之后STM32由从模式转为主模式。
• 控制完硬件电路之后，我们要检查标志位，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，可以当作是标志位。（EV5事件，就是SB（Start Bit）标志位置1，SB是状态寄存器的一个位，表示了硬件的状态，置一代表起始条件已发送，软件读取SR1寄存器后，也就是查看了该位，然后写数据寄存器的操作将清楚该位）

手册中都是用EVx（Event）这几个事件来代替标志位的。为什么要设计这个EVx事件，而不直接产生标志位呢，这是因为，有的状态会同时产生多个标志位，所以这个EVx事件，就是组合了多个标志位的一个大标志位，在库函数中，也就对应的，检查EVx事件是否发生的函数，把它当成一个大标志位即可。

• 检测起始条件已发送时，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I2C总线上，之后硬件会自动接收应答并判断，如果没有应答，硬件就会置应答失败的标志位，这个标志位可以申请中断来告知我们。当寻址完成之后，会发生EV6事件（EV6事件，就是ADDR标志位为1，表示地址发送结束），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，这时就会发生EV8事件（EV8事件就是TxE标志位=1，移位寄存器非空，数据寄存器空），这时就是移位寄存器正在发送数据的状态。
• 流程这里，数据1的时序就产生了，这个数据寄存器和移位寄存器的配合，就是发送的时候，数据先写入数据寄存器，如果移位寄存器没有数据，再转到移位寄存器进行发送。
• 在EV8结束的位置，对应写入DR将清除该事件，所以在这个位置应该写入了下一个数据，也就是数据2，在这个时刻数据2就被写入到数据寄存器里等待了，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，EV8事件就又发生了，EV8事件结束后，数据2还在移位发送，但此时下一个数据，已经被写道数据寄存器里等待了，之后再次应答，产生EV8事件，写入数据寄存器，EV8事件消失。按这个流程来，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读写完之后，这时就没有新的数据可以写入到数据寄存器了，当一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，这时就会产生EV8_2事件。

EV8_2 就是

• TxE=1,也就是数据寄存器空
• BTF （Byte Transfer Finished 字节发送结束标志位）=1，表示字节发送结束 。当一个新数据将被发送且数据寄存器还未被写入新数据，这个意思就是当前的移位寄存器已经移完了，该找数据寄存器要下一个数据了，但是数据寄存器没有数据，这就说明主机不想发了，这时就代表字节发送结束，是时候停止了。

• 当检测到EV8_2时，就可以产生终止条件了。在控制寄存器CR中的STOP位写1，就会在当前字节传输或当前起始条件发出后产生终止条件。
• 整个过程，简单来说就是，写入控制寄存器CR或数据寄存器DR，可以控制时序单元的发生，比如产生起始条件，发送一个字节数据，时序单元发生后，检查相应的EV事件，起始就是检查状态寄存器SR，来等待时序单元发送完成，然后依次按照这个流程，操作、等待、操作、等待……这样就能实现时序了。

主机接收

• 写入控制寄存器的START位，产生起始条件，然后等待EV5事件（起始条件已发送）
• 寻址，接收应答，产生RV6事件（寻址已完成）
• 发送数据1，代表数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6_1事件（没有对应的事件标志，只适用于接收1个字节的情况），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。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寄存器中，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（EV7事件 就是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，当我们把数据读走之后，EV7事件结束）
• EV7事件结束后，说明数据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事件结束。按照这个流程就可以一直接收数据了。
• 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（设置ACK=0和STOP请求），也就是我们想要结束了。在这个时序完成后，由于设置了ACK=0，所以就会给出非应答，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。
• 整体流程，写入控制寄存器CR和读取数据寄存器DR，产生时序单元，然后等待相应事件，来确保时序单元的完成。

如何配置是否要给应答，在控制寄存器CR中的ACK（应答使能）位写1，表示，在接收一个字节后返回一个应答（匹配的地址或数据），写0，表示无应答返回。

软件/硬件波形对比（指定地址读）

软件I2C

• 由于操作引脚之后，都加了延时，这个延时有时候加的多，有时候加的少，所以软件时序的时钟周期、占空比可能不规整，不过由于I2C是同步时序，这些不规整也没有什么影响。
• SCL低电平写，高电平读，虽然整个低电平的任意时候都可以写，整个高电平的任意时刻都可以读，但是一般要求保证尽早的原则，所以可以直接认为是SCL下降沿写，SCL上升沿读。软件I2C在下降沿之后，因为操作端口之后有一些延时，所以等了一会才进行写入操作，SDA才变换数据。
• 应答结束，从机在SCL下降沿立刻释放了SDA，但是软件I2C的主机，过了一会儿才变换数据，因此会出现一个短暂的高电平。

硬件I2C

• 硬件I2C的波形更加规整，每个时钟的周期、占空比都非常一致。
• 数据的写入，都是紧贴下降沿的，SCL下降沿，SDA马上切换数据。
• 应答结束后，SCL下降沿，从机立刻释放SDA，同时zhu机也立刻拉低SDA。所以这里就出现一个小尖峰。

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