I2C簡(jiǎn)介

I2C總線是一個(gè)兩線串行接口，包含串行數(shù)據(jù)線（SDA）與串行時(shí)鐘線（SCL），能夠在連接到總線的器件間傳遞信息，每一個(gè)連接總線的設(shè)備都有獨(dú)立的地址，主機(jī)可以通過該地址選擇連接總線的設(shè)備并與之通信。I2C通過對(duì)SCL和SDA線高低電平時(shí)序的控制，來產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號(hào)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，微控制器可通過I2C總線接口實(shí)現(xiàn)芯片間串行互聯(lián)。

I2C的功能框圖如圖1所示，當(dāng)I2C采用主模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主機(jī)先發(fā)送從機(jī)設(shè)備地址與讀寫位數(shù)據(jù)，在從機(jī)地址匹配時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；I2C采用從模式時(shí)，從設(shè)備等待接收由主機(jī)發(fā)送來的地址數(shù)據(jù)，地址匹配時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

主機(jī)與從機(jī)

主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)，在主模式下只支持一個(gè)主機(jī)。

設(shè)備地址

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前需要發(fā)送從設(shè)備地址，只有當(dāng)主機(jī)的發(fā)送設(shè)備地址與從機(jī)的設(shè)備地址匹配時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。總線的每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送或接收器。

I2C信號(hào)

起始信號(hào)

當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，SCL和SDA同時(shí)被外部上拉電阻拉為高電平。當(dāng)主機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須先產(chǎn)生一個(gè)起始信號(hào)。在SCL線是高電平時(shí)， SDA線從高電平向低電平切換表示起始信號(hào)，如圖2所示。在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線處于忙碌狀態(tài)，除當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備外，其他I2C器件無法訪問總線。

停止信號(hào)

停止信號(hào)如圖2所示，當(dāng)主機(jī)結(jié)束傳輸時(shí)要發(fā)送停止信號(hào)，在SCL線為高電平、SDA線由低電平向高電平切換時(shí)，產(chǎn)生停止信號(hào)，從而釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)。

應(yīng)答信號(hào)

I2C具有完善的應(yīng)答機(jī)制，當(dāng)主機(jī)發(fā)送完成地址與讀寫位或者主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到從機(jī)上時(shí)，從機(jī)會(huì)回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK），即在第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí)拉低SDA，如圖3所示。

非應(yīng)答信號(hào)

如圖3所示，當(dāng)?shù)?個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí)拉高SDA，表示為非應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)或從機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)中止傳輸。

讀寫位

在傳輸設(shè)備地址時(shí)會(huì)跟隨1bit的讀寫位數(shù)據(jù)，該讀寫位決定當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸方向。如圖4所示，起始信號(hào)后發(fā)送從設(shè)備地址及讀寫位數(shù)據(jù)，當(dāng)讀寫位為1時(shí)，執(zhí)行讀操作；讀寫位為0時(shí)，執(zhí)行寫操作。

I2C配置

I2C的配置包括傳輸速率、從設(shè)備地址、數(shù)據(jù)傳輸方向及主從模式選擇的配置，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

工作速率

I2C存在兩種工作速率模式：標(biāo)準(zhǔn)模式（數(shù)據(jù)傳輸速率為0 ~ 100Kbps），快速模式（數(shù)據(jù)傳輸速率最大為400Kbps）；可通過I2C控制寄存器（I2C_CR）的SPEED位進(jìn)行控制，由于I2C從機(jī)速率跟隨主機(jī)速率，因此只需在I2C為主模式下配置工作速率，如圖5所示。

地址格式

I2C有兩種地址格式：7位地址格式和10位地址格式。

7位地址

如圖6所示，在起始條件（S）后發(fā)送的一個(gè)字節(jié)的前7位（A6 ~ A0）為從機(jī)地址，最低位（R/W）是數(shù)據(jù)方向位，當(dāng)R/W位為0，表示主機(jī)寫數(shù)據(jù)到從機(jī)，R/W位為1表示主機(jī)從從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

10位地址

在10位的地址格式中，發(fā)送2個(gè)字節(jié)來傳輸10位地址。發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)的起始位后的5位（bit7：3）用于告示從機(jī)接下來是10位的傳輸，第一個(gè)字節(jié)的后兩位（bit2：1）是從機(jī)地址的bit9：8，最低位（bit 0）是數(shù)據(jù)方向位（R/W）。傳輸?shù)牡诙€(gè)字節(jié)為10位地址的低八位，如圖7所示。

寫操作

I2C進(jìn)行寫操作時(shí)，先通過I2C目標(biāo)地址寄存器（I2C_TAR）配置從設(shè)備地址，再配置讀寫位，令控制數(shù)據(jù)命令寄存器（I2C_DR）的CMD位為0，所需傳輸數(shù)據(jù)放入I2C_DR寄存器的DR位，進(jìn)行寫操作。

讀操作

I2C進(jìn)行讀操作時(shí)，先由主機(jī)寫從設(shè)備地址及設(shè)備內(nèi)寄存器地址，當(dāng)從設(shè)備地址及設(shè)備內(nèi)寄存器地址發(fā)送完成后，將控制數(shù)據(jù)命令寄存器（I2C_DR）的CMD位為1，進(jìn)行讀操作，讀出設(shè)備內(nèi)寄存器地址中的數(shù)值。

主模式

I2C主模式配置需在I2C未使能狀態(tài)下進(jìn)行，將I2C使能寄存器（I2C_IMR）的ENABLE位置0。通過配置控制寄存器（I2C_CR）的SPEED位選擇速率模式，MASTER10位選擇地址格式，DISSLAVE位為1使從模式禁止，MASTER位為1選擇主模式。向目標(biāo)地址寄存器（I2C_TAR）寫入從設(shè)備地址，I2C_IMR寄存器的ENABLE位置1，使能I2C。

I2C 接口支持讀寫的動(dòng)態(tài)切換，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，寫數(shù)據(jù)到I2C的RX/TX數(shù)據(jù)緩沖及命令寄存器（DR）的低字節(jié)中，配置CMD位為0產(chǎn)生寫操作。接下來的讀命令，需要確保CMD位為1。如果發(fā)送FIFO為空，I2C模塊拉低SCL直到下個(gè)命令寫入到發(fā)送FIFO中。

從模式

I2C做從機(jī)時(shí)，等待其他主機(jī)的訪問，只有其他主機(jī)發(fā)送了I2C從機(jī)對(duì)應(yīng)的設(shè)備地址，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。配置I2C為從模式，將I2C使能寄存器（I2C_IMR）的ENABLE位置0，禁止I2C使能，將I2C自身從地址寫入從機(jī)地址寄存器（I2C_SAR），配置控制寄存器（I2C_CR）的SLAVE10選擇尋址格式，DISSLAVE位為0，選擇從模式，MASTER位為0，禁止主模式；I2C_IMR寄存器的ENABLE位置1，使能I2C。

當(dāng)其他主機(jī)發(fā)送地址與 SAR 寄存器中的從機(jī)地址匹配，I2C接口響應(yīng)發(fā)送的地址，并識(shí)別傳輸方向；當(dāng)I2C產(chǎn)生讀請(qǐng)求，從機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)；當(dāng)主機(jī)為寫操作時(shí)，I2C從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收緩沖中，軟件通過讀DR寄存器中的bit7：0來獲得接收到的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用輪詢進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫操作與讀操作，初始化配置I2C為主模式，從設(shè)備地址為0x50，速率為100KHz，使用7位地址格式。I2C初始化后，按下一次任意按鍵，進(jìn)行8字節(jié)數(shù)據(jù)的寫操作，其中第一字節(jié)寫入數(shù)據(jù)設(shè)置為設(shè)備內(nèi)的寄存器地址，串口顯示寫入數(shù)據(jù)；寫操作完成后，再次按下任意按鍵，進(jìn)行7位數(shù)據(jù)的讀操作，從設(shè)備的寄存器地址中讀出相關(guān)數(shù)據(jù)。

啟用I2C外設(shè)時(shí)鐘 enable_clock（）

實(shí)驗(yàn)使用I2C1，串口打印輸出結(jié)果，串口使用引腳屬于GPIOA組，I2C使用引腳屬于GPIOB組，因此需要啟用I2C1、UART1、GPIOA及GPIOB的外設(shè)時(shí)鐘。

voidenable_clock()
{
/*EnableI2C1clock.*/
RCC->APB1ENR|=RCC_APB1_PERIPH_I2C1;
/*EnableGPIOAclock.*/
RCC->AHB1ENR|=RCC_AHB1_PERIPH_GPIOA;
/*EnableGPIOBclock.*/
RCC->AHB1ENR|=RCC_AHB1_PERIPH_GPIOB;
/*EnableUART1clock.*/
RCC->APB2ENR|=RCC_APB2_PERIPH_UART1;
}

配置引腳 pin_init（）

配置I2C1引腳，I2C1_SCL為PB6引腳，I2C1_SDA為PB7引腳，復(fù)用通道為AF1；由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過串口顯示，故配置UART的TX（PA9）與RX（PA10）引腳。

voidpin_init()
{
/*PB6-I2C1_SCL.*/
GPIOB->CRL&=~GPIO_CRL_MODE6_MASK;
GPIOB->CRL&=~GPIO_CRL_CNF6_MASK;
GPIOB->CRL|=GPIO_CRL_MODE6(GPIO_Speed_50MHz);
GPIOB->CRL|=GPIO_CRL_CNF6(GPIO_PinMode_AF_OpenDrain);
GPIOB->AFRL&=~GPIO_AFRL_AFRY_MASK;
GPIOB->AFRL|=(GPIO_AF_1<

/*PB7-I2C1_SDA.*/
GPIOB->CRL&=~GPIO_CRL_MODE7_MASK;
GPIOB->CRL&=~GPIO_CRL_CNF7_MASK;
GPIOB->CRL|=GPIO_CRL_MODE7(GPIO_Speed_50MHz);
GPIOB->CRL |= GPIO_CRL_CNF7(GPIO_PinMode_AF_OpenDrain)；
GPIOB->AFRL|=(GPIO_AF_1<

/*PA9-UART_TX.*/
GPIOA->CRH&=~GPIO_CRH_MODE9_MASK;
GPIOA->CRH&=~GPIO_CRH_CNF9_MASK;
GPIOA->CRH|=GPIO_CRH_MODE9(GPIO_Speed_50MHz);
GPIOA->CRH|=GPIO_CRH_CNF9(GPIO_PinMode_AF_PushPull);
GPIOA->AFRH|=(GPIO_AF_1<

/*PA10-UART_RX.*/
GPIOA->CRH&=~GPIO_CRH_MODE10_MASK;
GPIOA->CRH&=~GPIO_CRH_CNF10_MASK;
GPIOA->CRH|=GPIO_CRH_CNF10(GPIO_PinMode_In_Floating);
GPIOA->AFRH|=(GPIO_AF_1<
}

UART初始化 uart_init（）

初始化UART，配置時(shí)鐘頻率、波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、停止位、傳輸模式及是否使用校驗(yàn)。

voiduart_init()
{
/*Clearthecorrespondingbittobeused.*/
UART1->CCR&=~(UART_CCR_PEN_MASK|UART_CCR_PSEL_MASK|UART_CCR_SPB0_MASK|UART_CCR_SPB1_MASK|UART_CCR_CHAR_MASK);
UART1->GCR&=~(UART_GCR_AUTOFLOWEN_MASK|UART_GCR_RXEN_MASK|UART_GCR_TXEN_MASK);
/*WordLength.*/
UART1->CCR|=UART_CCR_CHAR_MASK;
/*XferMode.*/
UART1->GCR|=(UART_XferMode_RxTx<
/*Setupbaudrate,BOARD_DEBUG_UART_FREQ=48000000u,BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE=9600u.*/
UART1->BRR=(BOARD_DEBUG_UART_FREQ/BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE)/16u;
UART1->FRA=(BOARD_DEBUG_UART_FREQ/BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE)%16u;
/*EnableUART1.*/
UART1->GCR|=UART_GCR_UARTEN_MASK;
}

I2C初始化 i2c_init（）

I2C通過操作配置寄存器（I2C_CR）實(shí)現(xiàn)初始化，配置I2C為主模式、速率為100KHz、7位地址格式、時(shí)鐘頻率為60000000u，設(shè)置從設(shè)備地址為0x50，使能I2C。

voidi2c_init()
{
I2C1->ENR&=~I2C_ENR_ENABLE_MASK;
uint32_ttmp=BOARD_I2C_FREQ/I2C_BaudRate_100K;/*BOARD_I2C_FREQ=60000000u,I2C_BaudRate_100K=100000u.*/
I2C1->SSHR=tmp/2u-12u;/*Configurehighlevelcountinnormalspeed.*/
I2C1->SSLR=tmp/2u-1u; /*Configurelowlevelcountinnormalspeed.*/
I2C1->CR=I2C_CR_SPEED(1u);
I2C1->CR&=~I2C_CR_MASTER10_MASK; /*Addressformat.*/
I2C1->CR|=I2C_CR_RESTART_MASK /*Generaterestartsignal.*/
|I2C_CR_DISSLAVE_MASK /*Disableslavemodule.*/
|I2C_CR_REPEN_MASK /*Enablesendingrestartcondition.*/
|I2C_CR_EMPINT_MASK /*Controltx_emptyinterruptgeneration.*/
|I2C_CR_MASTER_MASK; /*Enablemastermodule.*/

I2C1->RXTLR=0u; /*Configurethesendingreceivevalue.*/
I2C1->TXTLR=0u; /*Configurethesendingthresholdvalue.*/

/*Setuptargetaddress.*/
I2C1->TAR=I2C_TAR_ADDR(APP_I2C_TARGET_ADDR);/*APP_I2C_TARGET_ADDR=0x50.*/
I2C1->ENR|=I2C_ENR_ENABLE_MASK; /*EnableI2C.*/
}

I2C寫操作 i2c_write（）

設(shè)置I2C發(fā)送數(shù)組i2c_tx_buf及發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度i2c_tx_len，將數(shù)組i2c_tx_buf的第一個(gè)數(shù)值設(shè)置為寄存器地址，發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送后讀取狀態(tài)寄存器（I2C_SR），等待發(fā)送緩沖空，再進(jìn)行下一次發(fā)送；數(shù)據(jù)傳輸完成，操作使能寄存器的ABORT位為1，使I2C停止數(shù)據(jù)傳輸；讀清除TX_ABRT中斷寄存器（I2C_TXABRT），將TX FIFO從刷新/復(fù)位狀態(tài)中釋放。

voidi2c_write()
{
I2C1->DR=I2C_DR_DAT(i2c_tx_buf[0]);
while(0u==(I2C1->SR&I2C_STATUS_TX_EMPTY))
{
}
for(uint32_ti=1u;i
{
I2C1->DR=I2C_DR_DAT(i2c_tx_buf[i]);

while(0u==(I2C1->SR&I2C_STATUS_TX_EMPTY)) /*Waittotxfifoempty.*/
{
}
}
I2C1->ENR|=I2C_ENR_ABORT_MASK; /*Prepareforthestop.*/
I2C1->TXABRT; /*Readregistertoreleasetxfifo.*/
while(I2C1->SR&I2C_STATUS_ACTIVE) /*WaittoI2Cnotactive,whichmeansstopistakingeffect.*/
{
}
}

I2C讀操作 i2c_read（）

設(shè)置I2C接收數(shù)組i2c_rx_buf及接收長(zhǎng)度i2c_rx_len，在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取前，需要發(fā)送從設(shè)備地址及寄存器地址，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置發(fā)送數(shù)組的第一個(gè)數(shù)據(jù)為寄存器地址，發(fā)送完成后再將I2C_DR寄存器的讀寫位（CMD）置1，讀取I2C_DR寄存器進(jìn)行讀操作。讀操作結(jié)束后，操作使能寄存器的ABORT位為1，使I2C停止數(shù)據(jù)傳輸。

voidi2c_read()
{
I2C1->DR=I2C_DR_DAT(i2c_tx_buf[0]);
while(0u==(I2C1->SR&I2C_STATUS_TX_EMPTY))
{
}
/*Readdatafromtargetdevice.*/
for(uint32_ti=0u;i
{
I2C1->DR=I2C_DR_CMD_MASK; /*Swichread-writebittoread,preparetogetdata.*/

while(0u==(I2C1->SR&I2C_STATUS_RX_NOTEMPTY)) /*Waittorxfifonotempty.*/
{
}
i2c_rx_buf[i]=(uint8_t)I2C1->DR;
}
I2C1->ENR|=I2C_ENR_ABORT_MASK; /*Prepareforthestop.*/
I2C1->TXABRT; /*Readregistertoreleasetxfifo.*/
while(I2C1->SR&I2C_STATUS_ACTIVE) /*WaittoI2Cnotactive,whichmeansstopistakingeffect.*/
{
}
}

main（）函數(shù)

main（）函數(shù)結(jié)合上述操作，串口打印“i2c_master_basic example”，初始化I2C后，將發(fā)送數(shù)組設(shè)置為0到7，按下一次任意按鍵，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，串口顯示發(fā)送數(shù)據(jù)；再次按下任意按鍵，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，從寄存器地址中讀出數(shù)值，設(shè)置寄存器地址設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)的首個(gè)數(shù)據(jù)，串口顯示接收數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

intmain()
{
enable_clock();
pin_init();
uart_init();
printf("\r\ni2c_master_basicexample\r\n");
i2c_init();
for(uint32_ti=0u;i
{
i2c_tx_buf[i]=i;
}
while(1)
{
printf("pressanykeytowritei2c-eeprom.\r\n");
getchar();
i2c_write();
printf("writedata:");
for(uint32_ti=0u;i
{
printf("0x%02X,",i2c_tx_buf[i]);
}
printf("\r\n");

printf("pressanykeytoreadi2c-eeprom.\r\n");
getchar();
i2c_read();
printf("readdatafromdeviceregisteraddress:0x%02X\r\n",i2c_tx_buf[0u]);
printf("readdata:");
for(uint32_ti=0u;i
{
printf("0x%02X,",i2c_rx_buf[i]);
}
printf("\r\n");
}

來源： 靈動(dòng)MM32MCU