STM32F429入门（二十）：IIC通讯协议（硬件）

一、I2C协议

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。

（一）I2C物理层的特点：

 

电阻一般选择4.7k。

它的物理层有如下特点：

(1) 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。

(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。（线与特性）如果这个时候有个设备输出低电平，那其他设备不可能会输出高电平，可以呈现高阻态的形式（即断开）。

(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。（0V）

(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 I 2C 设备尚不支持高速模式。一般采用低速模式。

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

（二）IIC的协议层

IIC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. IIC基本读写过程：

   主机写数据到从机：

阴影部分为：数据由主机传输至从机。

非阴影部分为：数据由从机传输至主机。（方向由读写位控制）

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，即主机由从机读数据。 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。

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)，重复这个过程，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。

S：传输开始信号。

SLAVE_ADDRESS:从机地址。（相当于点名）

A/A：应答（ACK）或非应答（NACK）信号

主机由从机中读数据：

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。

通讯复合模式：

 

除了基本的读写，I2C 通讯更常用的是复合格式，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。而前面所讲的SLAVE_ADDRESS是区分设备的地址。而这个地址是已经区分好设备后，写入设备里面的内存地址。

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——通讯的起始。

• 当SCL线是高电平时SDA线从低电平向高电平切换——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

IIC使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步，SDA数据写在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，为低电平表示数据0

• 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。

• 每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

 4.地址及数据方向

• IIC总线上的每个设备上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，数据方向位位1时表示主机由从机读取数据，该位为0时表示主机向从机写数据。

• 读数据方向时，主机会释放对SDA 信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接 收信号，写数据方向时，SDA 由主机控制，从机接收信号。（发送端具有SDA线的控制权）

通常我们都使用7位来存储地址，有些IIC可以使用10位，当我们使用7位时，我们会将最后一位方向位并入其中，形成8位读地址或者是8位写地址。

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。

• 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)。

（三）STM32的IIC特性及架构

• 软件IIC：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IIC：由STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC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，就能完成数据的收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

• STM32的IIC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。

架构剖析：

1为通讯引脚；2为时钟控制逻辑；3为数据控制逻辑；4为整体控制逻辑。

（1）通讯引脚

（2）时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号，由IIC接口根据时钟控制器（CCR）控制，控制的参数主要为时钟频率。

• 选择IIC通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别为IIC对应100Kbit/s或400Kbit/s的通讯速率。

• 在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选用Tlow/Thigh=2或Tlow/Thigh=16/9模式。所说的Tlow就是低电平所占的周期，Thigh就是高电平所占的周期。

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