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【自学嵌入式：stm32单片机】I2C通信外设

news 2025/10/23 16:39:44

I2C通信外设
- I2C通信外设介绍
- I2C框图
  - 引脚复用
  - SDA
    - 数据发送
    - 数据接收
    - 比较器、自身地址寄存器、双地址寄存器、帧错误校验计算和帧错误校验寄存器
  - SCL
- I2C基本结构
- 主机发送
- 主机接收
- 软件I2C与硬件I2C波形对比
  - 软件I2C波形
  - 硬件I2C波形

I2C通信外设

I2C通信外设介绍

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
支持多主机模型
支持7位/10位地址模式，11110是10位地址开始的标志位
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
兼容SMBus协议
STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

I2C框图

SMBALERT是SMBus用的，I2C用不到

引脚复用

硬件I2C2的SCL复用在了PB10引脚，SDA复用在了PB11引脚

硬件I2C2的SCL复用在了PB6引脚，SDA复用在了PB7引脚，I2C1的引脚还有重映射的机会，可以重映射在PB8和PB9两个引脚

SDA

数据发送

如上图，红圈部分是SDA，这里数据收发的核心部分是数据寄存器DATA REGISTER和数据移位寄存器，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，这个数据寄存器的值就会进一步转到移位寄存器里，在移位的过程中，我们就可以直接把下一个数据放到数据寄存器里等着了，一旦前一个数据移位完成，数据可以无缝衔接，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。

数据接收

接收的时候，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，数据就整体从移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中读出来了，由于I2C是半双工通信，所以和硬件USART串口通信不一样的是，硬件I2C只有一组数据寄存器和移位寄存器，但是这两个寄存器配合的设计思路异曲同工，至于什么时候收什么时候发数据，需要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、应答位什么的都由控制电路来完成。

比较器、自身地址寄存器、双地址寄存器、帧错误校验计算和帧错误校验寄存器

比较器、自身地址寄存器和双地址寄存器是从机模式使用的，STM32的硬件I2C通信是基于可变多主机模式设计的，STM32不进行通信的时候就是从机，从机地址可以借助这几个寄存器设置。
帧错误校验计算和帧错误校验寄存器是STM32设计的一个数据校验模块，当我们发送一个多字节的数据帧时，在这里，硬件可以自动执行CRC校验计算，校验数据是否出错。

SCL

在时钟控制寄存器写对应的位，电路就会执行对应的功能对时钟进行控制，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，之后是中断，当内部有一些标志位置1之后，可能事情比较紧急，就可以申请中断，如果开启了这个中断，那当这个事情发生后，程序就可以跳到中断函数来处理这个事件，最后是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

主机发送

如上图，有7位地址的主发送和10位地址的主发送，它们的区别就是，7位地址，起始条件后的一个字节是寻址；10位地址，起始条件后的两个字节都是寻址，其中前一个字节，这里写的是帧头，内容是5位的标志位11110+2位地址+1位读写位，后一个字节内容就是纯粹的8位地址了，两个字节拼在一起构成10位的寻址，后面数据的用途要看从机设备的怎么规定，比如MPU6050规定就是寻址之后，数据1为指定寄存器地址，数据2为指定寄存器地址下的数据，之后的数据N，就是从指定寄存器地址开始，依次往后写。

如上图，在控制器CR1中，START位写1，就可以产生起始条件了，当起始条件发出后，这一位可以由硬件清除，之后STM32由从模式转为主模式，然后就如同最开始的图，起始条件后，发生EV5事件，类似标志位，用事件表示是因为有的事件能产生多个标志位，在库函数中也会有对应的，检查EV几事件是否发生的函数。

EV5事件，SB位为1，状态寄存器的位，表示了硬件的状态，其他见最开始的图，当检测到起始条件已发送时，就可以发送从机地址了，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，硬件会置应答失败的标志位，然后这个标志位可以申请中断来提醒开发者。

在寻址完成后，会发生EV6事件，ADDR标志位为1，代表主机模式状态下，从机地址发送结束。
EV6事件结束后，是EV8_1事件，就是TxE标志位为1，移位寄存器空，数据寄存器空，这时候我们要将发送的一个字节写入DR寄存器进行发送了，一旦写入DR之后，因为移位寄存器也是空的，所以DR会立刻转到移位寄存器进行发送，这时就进入EV8事件，TxE为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数据的状态，所以这里，数据1的时序就产生了，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，EV8事件没有了，对应着写入DR寄存器将清除该事件。

所以按理说，这个位置应该是写入了下一个数据，也就是后面这个数据2，在这个时刻就被写入到数据寄存器里等着了，然后接收应答位之后，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，这个EV8事件就又发生了，数据2还正在移位发送，但此时下一个数据，已经被写到数据寄存器等着了，所以这时候EV8事件消失，之后应答，产生EV8事件，写入数据寄存器，EV8事件消失，按照这个流程来，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，当移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，这个事件就是EV8_2，下面解释，EV8_2是TxE=1，也就是数据寄存器空。

BTF（ByteTransfer Finished），这个是字节发送结束标志位，这里，字节发送结束，在发送时，当一个新数据将被发送且数据寄存器还未被写入新的数据时，BTF标志位置1，这个意思就是，当前的移位寄存器已移完，该找数据寄存器要下一个数据了，但是一看，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，当检测到EV8_2事件时，就可以产生终止条件了，在控制寄存器里有相应的位可以控制，如下：

主机接收

EV5事件和刚才发送一样，代表起始条件已发送，之后是寻址，接收应答，结束后产生EV6事件，和刚才发送一样，EV6事件代表寻址已完成，之后数据1这一块代表数据正在通过移位寄存器进行输入，EV6_1事件，下面解释是没有对应的事件标志，只适于接收1个字节的情况，这个EV6_1，可以看到，数据1其实还正在移位，还没收到，所以这个事件就没有标志位，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，如何配置是否要给应答呢，看手册控制寄存器CR1里，这里有一位ACK，应答使能：

如上图，当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，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，下面解释是，RxNE=1，数据寄存器非空，读DR寄存器清除该事件，也就是，收到数据了，当我们把数据读走之后，这个事件就没有了，上面这里EV7事件没有了，说明此时数据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事件没有了，然后按照这个流程就可以一直接收数据了，最后，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，提前把刚才说的应答位控制寄存器ACK置0，并且设置终止条件请求，这就是EV7_1事件，和EV7一样，后面加了一句，设置ACK=0和STOP请求，在这个时序完成后，由于设置ACK=0，所以这里就会给出非应答，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。