STM32 学习笔记（九）I2C通信协议

该系列为笔者在学习STM32过程（主线是江科大的视频）中的记录与发散思考。

初学难免有所纰漏、错误，还望大家不吝指正，感谢~

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1. I2C通信简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种常见的串行通信协议，广泛应用于低速设备之间的通信。I2C协议通过两条信号线（SDA和SCL）实现数据传输，支持多主机和多从机通信。I2C协议的独特之处在于，它采用了数据应答机制来保证数据传输的可靠性。

1. 带数据应答（ACK/NACK）

在I2C通信中，每传输完一个字节，接收方需要发送应答信号，表示成功接收到数据。如果接收方不发送应答信号，表示接收失败或停止数据传输，发送方会根据无应答信号采取相应的处理。

• ACK（应答）：接收方成功接收数据，并准备继续接收下一个字节。
• NACK（无应答）：接收方未成功接收数据，或不准备继续接收数据（如结束通信）。

（数据0表示应答，数据1表示无应答）。

2. I2C的特点

• 双线制通信：I2C协议只需要两条线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。
• 多主机/多从机支持：I2C总线支持多个主设备和多个从设备。
• 地址机制：每个设备通过唯一的地址标识，确保数据发送到正确的设备。

2. 硬件电路

I2C通信的硬件架构通常为“一主多从”。即系统中有一个主设备（如cpu）和多个从设备。所有的设备共享同一条SDA（数据线）和SCL（时钟线）。

• 主设备：负责生成时钟信号（SCL）并控制数据的发送和接收。主设备也负责启动和终止通信。
• 从设备：根据主设备的指令进行数据的发送或接收，每个从设备有一个唯一的地址。
• SDA（数据线）：双向数据传输线，由主设备和从设备共同使用。
• SCL（时钟线）：同步时钟信号线，由主设备提供。
• 上拉电阻：SDA和SCL线都需要通过上拉电阻（通常为4.7kΩ或10kΩ）连接到电源，以确保信号的稳定性。

在I2C总线上，主设备通过控制SCL线来同步通信，而所有从设备共享SDA线。通过主设备指定从设备的地址，可以实现与不同设备的通信。

 设备地址

每个I2C设备都有一个唯一的地址。主设备通过发送设备地址来选择从设备并与之通信。设备地址通常是7位或10位，I2C协议使用7位地址。（相同设备低位可以由引脚灵活切换。）

3. I2C时序基本单元

I2C的时序由SCL时钟信号控制，每个时钟周期包含多个数据传输。I2C的时序基本单元包括以下几个部分：

3.1 起始条件

起始条件由主设备生成。当SCL为高电平时，主设备将SDA从高电平拉低，表示通信的开始。

3.2 终止条件

终止条件由主设备生成。当SCL为高电平时，主设备将SDA从低电平拉高，表示通信的结束。

3.3 发送一个字节

每次发送数据时，数据在SDA线上按位传输（高位先行），此时要释放SCL（允许主设备控制SCL），在SLC高电平时读。在传输完8位数据后，从机需返回ACK信号表示数据接收成功。

3.4 接收一个字节

在接收数据时，主机根据SCL时钟信号采样SDA线上的数据。每接收到一个字节后，主机需要发送ACK信号告知发送方数据已接收。

3.5 发送应答

每次数据传输后，主机会通过SDA线发送一个(N)ACK信号，表示数据是否接收。（N）ACK是由主机在数据字节传输后的第九个时钟周期内拉低/拉高SDA来发送（数据0表应答，数据1表非应答）。

3.6 接收应答

数据传输后，主机接收一位数据，判断从机是否应答。（接收前释放SDA）

4. I2C时序

I2C的时序结构非常重要，正确的时序保证数据的有效传输。I2C的时序操作包括以下几种：

4.1 指定地址写

在I2C通信中，主设备通过指定从设备的地址来进行写操作。具体步骤如下：

1. 起始条件：主设备生成起始信号。
2. 设备地址：主设备发送目标设备的地址，并将R/W位设置为0，表示写操作，从设备返回ACK。
3. 内部地址：主设备发送指定地址，从设备返回ACK。
4. 数据传输：主设备发送数据字节，从设备接收数据并返回ACK。
5. 停止条件：主设备发送停止信号，结束通信。

4.2 当前地址读

I2C的当前地址读操作用于从设备读取数据。主设备首先向从设备发送地址和读命令，然后从当前地址读取数据。具体步骤如下：

1. 起始条件：主设备生成起始信号。
2. 设备地址：主设备发送目标设备的地址，并将R/W位设置为1，表示读操作（下一个字节转为读的时序，无法指定寄存器地址）。
3. 数据接收：从设备将数据通过SDA线发送给主设备，并返回ACK。
4. 停止条件：主设备发送停止信号，结束通信。

（从设备内地址指针有一个默认值，指向内部一个寄存器，在读完当前地址的数据后，地址指针递增。）

4.3 指定地址读

在指定地址读操作中，主设备首先发送从设备的地址，并选择从设备的读取地址，完成地址定位后，开始读取数据。具体步骤如下：

1. 起始条件：主设备生成起始信号。
2. 设备地址：主设备发送目标设备的地址，并将R/W位设置为0，表示写操作（定位地址）。
3. 指定地址：主设备发送指定寄存器地址，更新地址指针。
4. 改变读/写操作：读写标志位只能是跟着起始条件的第一个字节，改变读写操作需要重新发送起始条件。
5. 指定地址读：此时，主设备再发送目标设备地址，并将R/W位设置为1，即可进行指定地址读操作。
6. 数据接收：从设备将数据通过SDA线发送给主设备，并返回ACK。
7. 停止条件：主设备发送停止信号，结束通信。

代码部分在下一篇MPU6050中一起给出（近两天就会更新( •̀ ω •́ )✧）

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