IIC—读写EEPROM(1)
1.1 I2C协议简介
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。
1.2 I2C物理层&协议层
（1）物理层
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。
(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。
(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1Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。
（2）协议层
I2C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。
1.3 I2C基本读写顺序
I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程如下图所示：
- 主机写数据到从机
-
主机由从机中读数据
-
I2C通讯复合格式
这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。
其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S),这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。
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，没有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。
若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，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[1 字节 (Byte) = 8 位 (bit)]，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。
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，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。
除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，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。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
通讯的起始和停止信号
前文提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，如下图所示。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。 当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
数据有效性
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步，如下图所示。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时， 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”，为低电平时表示数据“0”。当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。
地址及数据方向
I2C总线上的每个设备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。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位， 实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第8位或第11位。 数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，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。
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)。
2. STM32的I2C特性及架构
如果直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)， 就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管如何实现它， 不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。
由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。
相对地，还有“硬件协议”方式，STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C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，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。
2.1 STM32的I2C外设简介
STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持标准速度模式（高达100Kbit/s）、快速模式（高达400Kbit/s）、超快速模式（高达1Mbit/s）， 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。它的I2C外设还支持SMBus2.0协议和PMBus1.1协议。SMBus协议与I2C类似， 主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus2.0》文档了解。
2.2 STM32的I2C架构剖析
通讯引脚
I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。STM32芯片有多个I2C外设， 它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。
I2C1（STM32F103C8T6最常用）
-
默认引脚
- SCL：PB6
- SDA：PB7
-
重映射（AFIO）
- SCL：PB8
- SDA：PB9
- HAL 库开启：
__HAL_AFIO_REMAP_I2C1_ENABLE();
I2C2
- 固定引脚（无重映射）
- SCL：PB10
- SDA：PB11
硬件要点
- 所有 I2C 引脚都在 GPIOB，为 5V 耐受（FT）。
- 配置模式：复用开漏 AF_OD，必须外接 4.7kΩ 上拉电阻到 3.3V。
- 最高速率：400kHz（Fast-mode），常用 100kHz。
引脚冲突提示
- PB10/PB11 与 USART3（TX/RX） 复用。
- PB6/PB7 与 USART1（TX/RX） 复用（重映射后可避开）。
3. 标准库版本的I2C模块设计
STM32F103C8T6 标准库 I2C1 通用驱动模块
I2C1 默认：PB6=SCL、PB7=SDA
i2c.h
#ifndef __I2C_H
#define __I2C_H#include "stm32f10x.h"// I2C 引脚定义
#define I2C_SCL_PIN GPIO_Pin_6
#define I2C_SDA_PIN GPIO_Pin_7
#define I2C_GPIO_PORT GPIOB
#define I2C_RCC_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB// I2C 初始化
void I2C_Init_Config(void);// I2C 读写函数
uint8_t I2C_Write_Byte(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data);
uint8_t I2C_Read_Byte(uint8_t addr, uint8_t reg);
uint8_t I2C_Read_Buf(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *buf, uint8_t len);#endif
i2c.c
#include "i2c.h"/*** @brief I2C1 硬件初始化*/
void I2C_Init_Config(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;// 开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(I2C_RCC_CLK, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);// PB6 PB7 复用开漏GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);// I2C 参数配置I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 400000; // 400K 快速模式I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0x30;I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct);I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}/*** @brief I2C 写入1字节* @param addr: 设备7位地址* @param reg: 寄存器地址* @param data: 要写入的数据* @retval 0成功 1失败*/
uint8_t I2C_Write_Byte(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t data)
{while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));// 起始信号I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));// 发送设备地址+写I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));// 发送寄存器地址I2C_SendData(I2C1, reg);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));// 发送数据I2C_SendData(I2C1, data);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));// 停止信号I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);return 0;
}/*** @brief I2C 读取1字节* @param addr: 设备7位地址* @param reg: 寄存器地址* @retval 读到的数据*/
uint8_t I2C_Read_Byte(uint8_t addr, uint8_t reg)
{uint8_t val;while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));I2C_SendData(I2C1, reg);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));// 重复起始I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));// 设备地址+读I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Receiver);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));// 关闭应答I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);// 等待接收完成while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));val = I2C_ReceiveData(I2C1);I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);return val;
}/*** @brief I2C 连续读取多个字节* @param addr: 设备地址* @param reg: 起始寄存器* @param buf: 存放数据缓存* @param len: 读取长度*/
uint8_t I2C_Read_Buf(uint8_t addr, uint8_t reg, uint8_t *buf, uint8_t len)
{uint8_t i;while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));I2C_SendData(I2C1, reg);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Receiver);while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));for(i=0; i<len; i++){if(i == len-1){I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);}else{I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);}while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));buf[i] = I2C_ReceiveData(I2C1);}I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);return 0;
}
使用方法
- 工程加入
i2c.c、i2c.h - 在 main 初始化：
I2C_Init_Config();
- 读写示例：
// 写数据
I2C_Write_Byte(0x68, 0x00, 0x55);
// 读数据
uint8_t dat = I2C_Read_Byte(0x68, 0x00);
硬件注意事项
- PB6、PB7 必须外接 4.7K 上拉电阻到3.3V
- 标准库固件库要完整，包含
stm32f10x_i2c.c、stm32f10x_gpio.c