STM32 的I2C 特性及架构

如果我们直接控制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，不管您如何实现它，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。

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。它的I2C 外设还支持SMBus2.0 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。

STM32 的I2C 架构剖析

图 24-9 I2C 架构图

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，见表 24-1。关于GPIO引脚的复用功能，以规格书为准。

时钟控制逻辑

SCL 线的时钟信号，由I2C 接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。配置I2C 的CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数：

• 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 信号线的输出时钟公式如下：

计算结果得出CCR 为30，向该寄存器位写入此值则可以控制IIC 的通讯速率为400KHz，其实即使配置出来的SCL 时钟不完全等于标准的400KHz，IIC 通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由SCL 协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。

数据控制逻辑

I2C 的SDA 信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC 寄存器以及SDA 数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA 信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA 信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE 计算器运算，运算结果存储在“PEC 寄存器”中。当STM32 的I2C 工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32 的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32 的自身I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C 设备地址，两个地址分别存储在OAR1 和OAR2 中。

整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个I2C 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1 和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C 中断信号、DMA请求及各种I2C 的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

通讯过程

使用I2C 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器

见图 24-10。图中的是“主发送器”流程，即作为I2C 通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。

图 24-10 主发送器通讯过程

主发送器发送流程及事件说明如下：

(1) 控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1 寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；

(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”及“EV8”，这时SR1 寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置1，ADDR 为1 表示地址已经发送，TXE 为1 表示数据寄存器为空；

(3) 以上步骤正常执行并对ADDR 位清零后，我们往I2C 的“数据寄存器DR”写入要发送的数据，这时TXE 位会被重置0，表示数据寄存器非空，I2C 外设通过SDA 信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV8”事件，即TXE 位被置1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；

(4) 当我们发送数据完成后，控制I2C 设备产生一个停止信号(P)，这个时候会产生EV8_2 事件，SR1 的TXE 位及BTF 位都被置1，表示通讯结束。

假如我们使能了I2C 中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C 中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C 中断服务程序后，再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

主接收器

再来分析主接收器过程，即作为I2C 通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图24-11。

图 24-11 主接收器过程

主接收器接收流程及事件说明如下：

(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1 寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；

(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”这时SR1 寄存器的“ADDR”位被置1，表示地址已经发送。

(3) 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV7”事件，SR1 寄存器的RXNE 被置1，表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C 发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)，若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；

(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。

在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用STM32 标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。