一、简介
iic是一种串行通信总线,使用多主从架构,由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。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。
二、物理层
iic只由两条总线构成:
SDA(Serial Data)是数据线,D代表Data也就是数据,用来传输数据的串行总线
SCL(Serial Clock)是时钟线,C代表Clock也就是时钟,控制数据收发时序的串行总线
物理层特点:
三、协议层
3.1基本读写过程
3.1.1 写数据
3.1.2 读数据
3.1.3 复合读写格式
3.2 起始信号和停止信号
3.3 数据有效性
3.4 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/),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。
3.5 响应
四、STM32 的 IIC 架构
4.1 通信引脚
4.2 时钟控制逻辑
- 可选择 I2C 通讯的“标准/快速”模式,这两个模式分别 I2C 对应 100/400Kbit/s 的通讯速率。
- 在快速模式下可选择 SCL 时钟的占空比,可选 Tlow/Thigh=2 或 Tlow/Thigh=16/9 模式,我们知道 I2C 协议在 SCL 高电平时对 SDA 信号采样,SCL 低电平时 SDA 准备下一个数据,修改 SCL 的高低电平比会影响数据采样,但其实这两个模式的比例差别并不大,若不是要求非常严格,这里随便选就可以了。
- CCR 寄存器中还有一个 12 位的配置因子 CCR,它与 I2C 外设的输入时钟源共同作用,产生SCL 时钟,STM32 的 I2C 外设都挂载在 APB1 总线上,使用 APB1 的时钟源 PCLK1,SCL
4.3 数据控制逻辑
4.4 整体逻辑控制
4.5 具体通信过程
4.5.1 主发送器
4.5.2 主接收器
五、IIC 通信实验
5.1 IIC结构体
typedef struct {
uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 设置 SCL 时钟频率,此值要低于 400000*/
uint16_t I2C_Mode; /*!< 指定工作模式,可选 I2C 模式及 SMBUS 模式 */
uint16_t I2C_DutyCycle; /* 指定时钟占空比,可选 low/high = 2:1 及 16:9 模式*/
uint16_t I2C_OwnAddress1; /*!< 指定自身的 I2C 设备地址 */
uint16_t I2C_Ack; /*!< 使能或关闭响应 (一般都要使能) */
uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!< 指定地址的长度,可为 7 位及 10 位 */
} I2C_InitTypeDef;
本成员设置的是 I2C 的传输速率,在调用初始化函数时,函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到 I2C 的时钟控制寄存器 CCR。而我们写入的这个参数值不得高于 400KHz。实际上由于 CCR 寄存器不能写入小数类型的时钟因子,影响到 SCL 的实际频率可能会低于本成员设置的参数值,这时除了通讯稍慢一点以外,不会对 I2C 的标准通讯造成其它影响。
5.2 核心代码
我使用的是野火的指南者开发板,代码仅供参考。
5.2.1 硬件IIC
以 STM32 I2C1外设为例,它连接了一个EEPROM,硬件 IIC 即直接使用片上IIC外设,但是硬件 IIC 不稳定,有时会莫名卡住,还是推荐使用软件IIC。
/**
* @brief I2C I/O配置
* @param 无
* @retval 无
*/
static void I2C_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* 使能与 I2C 有关的时钟 */
EEPROM_I2C_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_CLK, ENABLE );
EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN ( EEPROM_I2C_GPIO_CLK, ENABLE );
/* I2C_SCL、I2C_SDA*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; // 开漏输出
GPIO_Init(EEPROM_I2C_SCL_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; // 开漏输出
GPIO_Init(EEPROM_I2C_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
}
/**
* @brief I2C 工作模式配置
* @param 无
* @retval 无
*/
static void I2C_Mode_Config(void)
{
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
/* I2C 配置 */
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
/* 高电平数据稳定,低电平数据变化 SCL 时钟线的占空比 */
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 =I2Cx_OWN_ADDRESS7;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable ;
/* I2C的寻址模式 */
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
/* 通信速率 */
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_Speed;
/* I2C 初始化 */
I2C_Init(EEPROM_I2Cx, &I2C_InitStructure);
/* 使能 I2C */
I2C_Cmd(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
}
/**
* @brief 从EEPROM里面读取一块数据
* @param
* @arg pBuffer:存放从EEPROM读取的数据的缓冲区指针
* @arg WriteAddr:接收数据的EEPROM的地址
* @arg NumByteToWrite:要从EEPROM读取的字节数
* @retval 无
*/
uint32_t I2C_EE_BufferRead(u8* pBuffer, u8 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
{
I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
//*((u8 *)0x4001080c) |=0x80;
while(I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2Cx, I2C_FLAG_BUSY))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(9);
}
/* Send START condition */
I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
//*((u8 *)0x4001080c) &=~0x80;
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV5 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(10);
}
/* Send EEPROM address for write */
I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV6 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(11);
}
/* Clear EV6 by setting again the PE bit */
I2C_Cmd(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
/* Send the EEPROM's internal address to write to */
I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, ReadAddr);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV8 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(12);
}
/* Send STRAT condition a second time */
I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV5 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(13);
}
/* Send EEPROM address for read */
I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV6 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(14);
}
/* While there is data to be read */
while(NumByteToRead)
{
if(NumByteToRead == 1)
{
/* Disable Acknowledgement */
I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2Cx, DISABLE);
/* Send STOP Condition */
I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
}
/* Test on EV7 and clear it */
I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)==0)
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
}
{
/* Read a byte from the EEPROM */
*pBuffer = I2C_ReceiveData(EEPROM_I2Cx);
/* Point to the next location where the byte read will be saved */
pBuffer++;
/* Decrement the read bytes counter */
NumByteToRead--;
}
}
/* Enable Acknowledgement to be ready for another reception */
I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
return 1;
}
/**
* @brief 在EEPROM的一个写循环中可以写多个字节,但一次写入的字节数
* 不能超过EEPROM页的大小,AT24C02每页有8个字节
* @param
* @arg pBuffer:缓冲区指针
* @arg WriteAddr:写地址
* @arg NumByteToWrite:写的字节数
* @retval 无
*/
uint32_t I2C_EE_PageWrite(u8* pBuffer, u8 WriteAddr, u8 NumByteToWrite)
{
I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2Cx, I2C_FLAG_BUSY))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(4);
}
/* Send START condition */
I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV5 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(5);
}
/* Send EEPROM address for write */
I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV6 and clear it */
while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(6);
}
/* Send the EEPROM's internal address to write to */
I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, WriteAddr);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV8 and clear it */
while(! I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(7);
}
/* While there is data to be written */
while(NumByteToWrite--)
{
/* Send the current byte */
I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, *pBuffer);
/* Point to the next byte to be written */
pBuffer++;
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* Test on EV8 and clear it */
while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(8);
}
}
/* Send STOP condition */
I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
return 1;
}
5.2.2软件 IIC
就是用两个 GPIO 模拟 IIC 的 SDA 和 SCL 总线,用软件拉高拉低的它们的电平,模拟出 IIC 协议。
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Delay
* 功能说明: I2C总线位延迟,最快400KHz
* 形 参:无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void i2c_Delay(void)
{
uint8_t i;
/*
下面的时间是通过逻辑分析仪测试得到的。
工作条件:CPU主频72MHz ,MDK编译环境,1级优化
循环次数为10时,SCL频率 = 205KHz
循环次数为7时,SCL频率 = 347KHz, SCL高电平时间1.5us,SCL低电平时间2.87us
循环次数为5时,SCL频率 = 421KHz, SCL高电平时间1.25us,SCL低电平时间2.375us
*/
for (i = 0; i < 10; i++);
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Start
* 功能说明: CPU发起I2C总线启动信号
* 形 参:无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Start(void)
{
/* 当SCL高电平时,SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号 */
EEPROM_I2C_SDA_1();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Stop
* 功能说明: CPU发起I2C总线停止信号
* 形 参:无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Stop(void)
{
/* 当SCL高电平时,SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号 */
EEPROM_I2C_SDA_0();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_SendByte
* 功能说明: CPU向I2C总线设备发送8bit数据
* 形 参:_ucByte : 等待发送的字节
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
uint8_t i;
/* 先发送字节的高位bit7 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (_ucByte & 0x80)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
else
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); // 释放总线
}
_ucByte <<= 1; /* 左移一个bit */
i2c_Delay();
}
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_ReadByte
* 功能说明: CPU从I2C总线设备读取8bit数据
* 形 参:无
* 返 回 值: 读到的数据
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t value;
/* 读到第1个bit为数据的bit7 */
value = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
value <<= 1;
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
{
value++;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
return value;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_WaitAck
* 功能说明: CPU产生一个时钟,并读取器件的ACK应答信号
* 形 参:无
* 返 回 值: 返回0表示正确应答,1表示无器件响应
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
uint8_t re;
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ()) /* CPU读取SDA口线状态 */
{
re = 1;
}
else
{
re = 0;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
return re;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Ack
* 功能说明: CPU产生一个ACK信号
* 形 参:无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Ack(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_0(); /* CPU驱动SDA = 0 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_NAck
* 功能说明: CPU产生1个NACK信号
* 形 参:无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_NAck(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU驱动SDA = 1 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}