前言

提示：I2C是发展嵌入式，单片机等必不可少的通讯协议之一，为此，记以文章后续巩固，也希望我的文章能帮助正在学习I2C通讯的你有所帮助。

I2C 是什么？

一. I2C 总线通信协议

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1. I2C总线系统结构

他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）,数据线即表示数据，书中用于收发数据同步。
每个连接到总线的设别都有独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备直接访问。

2.I2C总线物理层特点

总线通过上拉电阻到电源，当I2C设备空闲时，会输出高阻态（断路），而当所有设别都空闲，都输出高阻态，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哪个设备占用总线。
具有三种传输模式：标准模式传输速率位100kbit/s，快速模式为400kbit/s。

3.I2C总线协议层

I2C的协议定义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。

二. I2C基本读写过程

1.主机写数据到从机

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///：主机发送空白：从机发送
S：传输开始信号
SLAVE_ADDRESS：从机地址
R/W ：传输方向选择位，1为读，0为写
A/A:应答(ACK)或非应答信号(NACK)
P:停止传输信号

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机广播下来的从机地址信号，在I2C总线上，每个设备地址是唯一的，当主机广播的地址和某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备会自动忽略之后的数据信号，根据I2C协议，这个地址可以是7或者10位的
在地址位之后，是传输方向的选择位，为0：表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，为1则相反
从机接受到匹配的地址后，主机或从机会返回一个ACK 或NACK，只有接受到ACK后，主机才能继续发送或接受数据
当数据传输结束，主机向从机发送一个停止传输信号（P），表示不再传输数据

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2.主机读从机数据到主机

广播完地址后，接受到ACK，从机开始向主机传输数据（DATA），数据包也为8位，从机每发送完一个数据后，都会等待主机发送应答信号，当主机希望停止接受数据，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

3.通讯复合模式

复合模式，该传输过程1有两次起始信号（S）,在第一次传输过程中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻到从机地址后，发送一次数据，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或者存储器地址；第二次传输中，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，第二次则是读写实际内容

三. I2C通讯过程各个状态详解

1.空闲状态

I2C总线的SDA和SCL两条信号线都处于高电平，规定位总线的空闲状态。

2.开始信号/停止信号

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起始信号：当SCL为高电平期间，SDA有从高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序，而不是一个电平信号
停止信号：当SCL为高电平期间，SDA有从低到高的跳变；停止信号是一种电平跳变时序，而不是一个电平信号
起始信号和停止信号一般由主机产生

3.应答信号

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发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK）表示接收器已经成功接受该字节；应答信号位高电平时，规定为非应答信号（NACK）,一般表示接收器接收该字符没有成功。
对于反馈有效ACK的要求是，接收器在第九个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为有效的低电平。
如果接收器为主控器，则在它接收到最后一个字节后，发送NACK信号前期，以通知被控器数据数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止位p

4.数据的有效性

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I2C总线进行数据传输时，时钟信号的高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上信号为低电平期间，数据线上的高电平或者低电平状态才允许变换。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。每次传输的字节数不受限制
即：数据在SCL的上升沿到来之间数据就需准备好，并在下降沿到来之前必须稳定

5.数据传输

在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据地传输时边沿触发

四. I2C特性及架构

1.协议

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 I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好改外设，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，并使软件设计更加简单。
STM32的I2C外设可作用以通讯的主机及从机，支持100kbit/s和400kbit/s的速率，支持7位，10位的设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。

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通讯模式：标准（100kbit/s）/快速（400kbit/s）
在快速模式下可选择SCL时钟占空比，可选T(LOW)/T(HIGH)=2 或者选T(LOW)/T(HIGH)=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用作用，产生SCL之中。STM32的I2C外设输入时钟源于PCLK1.

3.数据控制寄存器

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。
当从外部接收数据时，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

五. STM32的通讯过程

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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位置置1，表示起始信号已经发生。
发生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位1表示地址已经发送，TXE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，这是TXE位会被置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被置1，重复这个过程，可以发送多个字节。
发送数据完成后，控制I2C设备产生一个停止信号P，这个时候产生EV8_2事件，SR1的TEX位及BTF位被置1，表示通讯结束。