嵌入式学习（十八）—I2C协议介绍(二)

文章概述

一、简要介绍SMBus与I2C区别

二、STM32F407的I2C寄存器

三、编程方法

这篇文章介绍一下STM32F407芯片的I2C资源，从而进一步了解I2C通讯协议。

这里再提一下SMBus总线。从概念上来讲，SMBus(系统管理总线)是一个双线制接口，器件之间可以通讯，它是以I2C工作原理为基础，SMBus可针对系统和电源管理相关的任务提供控制总线。系统管理总线规范涉及三类器件。（1）从器件，用于接收或响应命令。（2）主器件，用于发出命令、生成时钟和中止传输。（3）主机，专用的主器件，可提供连接系统 CPU 的主接口。主机必须具有 主 - 从设备功能，并且必须支持 SMBus 主机通知协议。系统中只允许存在一个主机。

SMBus与I2C的相似之处：

• 简单明了，2条线的协议：数据*1+时钟*1

• 通讯方式都是主从通讯，且主器件提供时钟

• 多主

• 两者的地址格式(7bit)相似

有相似就有区别，以下是区别：

STM32F407的硬件外设包含了3个硬件I2C资源，硬件I2C的速度比软件I2C快，通常可以达到几百kHz设置更高的速度，软件I2C达到几十kHz。

二、STM32F407的I2C相关的寄存器

2.1. I2C控制寄存器1（I2C_CR1）

位15: SWRST：软件复位

当置 1 时，I2C 处于复位状态。在复位此位之前，确保 I2C 线已释放且总线空闲。0：I2C 外设未处于复位状态 ,1：I2C 外设处于复位状态

位 8 START：生成起始位 

此位由软件置 1 和清零，并可在起始位发送完成后或 PE=0 时由硬件清零。在主模式下：0：不生成起始位 1：生成重复起始位在从模式下：0：不生成起始位 1：在总线空闲时生成起始位

位 7 NOSTRETCH：禁止时钟延长 （从模式） 

在从模式下，当 ADDR 或 BTF 标志置 1 时，此位用于禁止时钟延长，直到软件将其复位为止。0：使能时钟延长 1：禁止时钟延长

位 6 ENGC：广播呼叫使能 (General call enable)

0：禁止广播呼叫。不对地址 00h 应答。1：使能广播呼叫。对地址 00h 应答。 

位 5 ENPEC：PEC 使能 (PEC enable)

0：禁止 PEC 计算1：使能 PEC 计算 

位 4 ENARP：ARP 使能 (ARP enable)

0：禁止 ARP1：使能 ARPSMBTYPE=0 时识别 SMBus 器件默认地址SMBTYPE=1 时识别 SMBus 主机地址 

位 3 SMBTYPE：SMBus 类型 (SMBus type) 

0：SMBus 器件 1：SMBus 主机

位 1 SMBUS：SMBus 模式 (SMBus mode) 

0：I2C 模式 1：SMBus 模式 

位 0 PE：外设使能 (Peripheral enable) 

0：禁止外设 1：使能外设 

注意：如果此位在通信进行过程中复位，在结束本次通信后会带 IDLE 状态，外设被禁止。由于通信结束时 PE=0，所有位均会复位。在主模式下，此位不能在通信结束之前复位。

2.2. I2C控制寄存器2（I2C_CR2）

位 12 LAST：最后一次 DMA 传输 (DMA last transfer)

0：下一个 DMA EOT 不是最后一次传输 1：下一个 DMA EOT 是最后一次传输注意：此位用于主接收模式，可对最后接收的数据生成 NACK

位 11 DMAEN：DMA 请求使能 (DMA requests enable) 

0：禁止 DMA 请求 1：当 TxE=1 或 RxNE =1 时使能 DMA 请求

位 10 ITBUFEN：缓冲中断使能 (Buffer interrupt enable)0：TxE = 1 或 RxNE = 1 时不生成任何中断。1：TxE = 1 或 RxNE = 1 时生成事件中断（与 DMAEN 状态无关）

位 9 ITEVTEN：事件中断使能 (Event interrupt enable)

0：禁止事件中断 1：使能事件中断满足以下条件时将生成此中断：—SB = 1（主模式）—ADDR = 1（主/从模式）—ADD10= 1（主模式）—STOPF = 1（从模式）—BTF = 1，无 TxE 或 RxNE 事件—ITBUFEN = 1 且 TxE 事件置 1—ITBUFEN = 1 且 RxNE 事件置 1

位 8 ITERREN：错误中断使能 (Error interrupt enable)

0：禁止错误中断 1：使能错误中断满足以下条件时将生成此中断：

 BERR = 1 

 ARLO = 

1AF = 1 

OVR = 1 

PECERR = 1

TIMEOUT = 1 

SMBALERT = 1

位 5:0 FREQ[5:0]：外设时钟频率 (Peripheral clock frequency) 

外设时钟频率必须使用 APB 时钟频率进行配置（I2C 外设连接到 APB）。允许的最小频率为 2 MHz，最大频率则受限于 APB 最大频率 (42 MHz) 和固有极限频率 46 MHz。0b000000：不允许0b000001：不允许0b000010：2 MHz...0b101010：42 MHz大于 0b101010：不允许

2.2. I2C自有地址寄存器1（I2C_OAR1）

位 15 ADDMODE 寻址模式 (Addressing mode)（从模式）

0：7 位从地址（无法应答 10 位地址）1：10 位从地址（无法应答 7 位地址）位 14 应通过软件始终保持为 1

位 9:8 ADD[9:8]：接口地址 

7 位寻址模式：无意义10 位寻址模式：地址的第 9:8 位 

位 7:1 ADD[7:1]：接口地址 

地址的第 7:1 位 

位 0 ADD0：接口地址

7 位寻址模式：无意义10 位寻址模式：地址的第 0 位

2.2. I2C自有地址寄存器1（I2C_OAR1）

2.3. I2C数据寄存器（I2C_DR）

位 7:0 DR[7:0] 8 位数据寄存器 

接收的字节或者要发送到总线的字节。—发送模式：在 DR 寄存器中写入第一个字节时自动开始发送字节。如果在启动传送 (TxE=1) 后立即将下一个要传送的数据置于 DR 中，则可以保持连续的传送流—接收模式：将接收到的字节复 制到 DR 中 (RxNE=1)。如果在接收下一个数据字节 (RxNE=1) 之前读取 DR，则可保持连续的传送流。注意：在从模式下，地址并不会复 制到 DR 中。注意：硬件不对写冲突进行管理（TxE=0 时也可对 DR 执行写操作）。注意：如果发出 ACK 脉冲时出现 ARLO 事件，则不会将接收到的字节复 制到 DR 寄存器，因而 也无法读取字节。

2.3. I2C状态寄存器1（I2C_SR1）

位 15 SMBALERT：SMBus 报警 (SMBus alert) 

在 SMBus 主机模式下：0：无 SMBALERT1：引脚上发生 SMBALERT 事件在 SMBus 从模式下：0：无 SMBALERT 响应地址头 1：接收到指示 SMBALERT 低电平的 SMBALERT 响应地址头— 由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。

位 14 TIMEOUT：超时或 Tlow 错误 (Timeout or Tlow error) 

0：无超时错误 1：SCL 低电平时长持续 25 ms（超时）或主器件累计时钟低电平延长时间超过 10 ms (Tlow:mext)或从器件累计时钟低电平延长时间超过 25 ms (Tlow:sext)— 在从模式下置 1 时：从器件复位通信且硬件释放数据线— 在主模式下置 1 时：由硬件发送停止位— 由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。注意：此功能仅在 SMBus 模式下可用

位 12 PECERR：接收期间 PEC 错误 (PEC Error in reception) 

0：无 PEC 错误：接收器在接收 PEC 后返回 ACK（如果 ACK=1）1：PEC 错误：接收器在接收 PEC 后返回 NACK（无论 ACK 什么值）—由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。—注意：接收到错误的 CRC 时，如果在结束 CRC 接收之前 PEC 控制位没有置 1，则 PECERR 位在从模式下不会置 1。不过可以通过读取 PEC 值来判定接收到的 CRC 是否正确。

位 11 OVR：上溢/下溢 (Overrun/Underrun) 

0：未发生上溢/下溢 1：上溢或下溢—在从模式下由硬件置 1，前提是满足 NOSTRETCH=1 且：—接收过程中接收到一个新字节（包括 ACK 脉冲）但尚未读取 DR 寄存器。新接收的字节将 丢失。—发送过程中将发送一个新字节但尚未向 DR 寄存器写入数据。同一字节发送两次。—由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。注意：如果 DR 写操作时间与出现 SCL 上升沿的时间非常接近，则发出的数据不确定，并且出 现数据保持时间错误。

位 10 AF：应答失败 (Acknowledge failure)

0：未发生应答失败 1：应答失败—无应答返回时由硬件置 1。—由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零

位 9 ARLO：仲裁丢失 (Arbitration lost)（主模式）

0：未检测到仲裁丢失 1：检测到仲裁丢失当接口在竞争总线是输给另一个主设备时，由硬件将该位置 1—由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。发生 ARLO 事件后，接口会自动切换回从模式 (M/SL=0)。注意：在 SMBUS 中，从模式下的数据仲裁仅发生在数据阶段或发送确认期间（不适用于地址 确认）。

位 8 BERR：总线错误 (Bus error)

0：无误放的起始或停止位 1：存在误放的起始或停止位—SCL 为高电平时，若接口在字节传输期间检测到某个无效位置出现 SDA 上升沿或下降沿， 则会由硬件将该位置 1。—由软件写入 0 来清零，或在 PE=0 时由硬件清零

位 7 TxE：数据寄存器为空 (Data register empty)（发送器） 

0：数据寄存器非空 1：数据寄存器为空—发送过程中 DR 为空时该位置 1。TxE 不会在地址阶段置 1。—由软件写入 DR 寄存器来清零，或在出现起始、停止位或者 PE=0 时由硬件清零。如果接收到 NACK 或要发送的下一个字节为 PEC (PEC=1)，TxE 将不会置 1注意：写入第一个要发送的数据或在 BTF 置 1 时写入数据都无法将 TxE 清零，因为这两种情况 下数据寄存器仍为空。

位 6 RxNE：数据寄存器非空 (Data register not empty)（接收器） 

0：数据寄存器为空 1：数据寄存器非空—接收模式下数据寄存器非空时置 1。RxNE 不会在地址阶段置 1。—由软件读取或写入 DR 寄存器来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。发生 ARLO 事件时 RxNE 不会置 1。注意：BTF 置 1 时无法通过读取数据将 RxNE 清零，因为此时数据寄存器仍为满.

位 4 STOPF：停止位检测 (Stop detection)（从模式） 

0：未检测到停止位 1：检测到停止位—从设备在应答脉冲后（如果 ACK=1）检测到停止位，由硬件置 1。—由软件分别对 SR1 寄存器和 CR1 寄存器执行读操作和写操作来清零，或在 PE=0 时由硬件 清零。注意：收到 NACK 后 STOPF 位不会置 1。建议在 STOPF 置 1 后执行完整的清零序列（首先读取 SR1，然后写入 CR1）。

位 3 ADD10：发送 10 位头（主模式）

0：未发生 ADD10 事件。1：主器件已发送第一个地址字节（头）。—主器件在 10 位地址模式下已发送第一个字节时由硬件置 1。—由软件在读取 SR1 寄存器后在 DR 寄存器中写入第二个地址字节来清零，或在 PE=0 时由硬 件清零

位 2 BTF：字节传输完成 (Byte transfer finished) 

0：数据字节传输未完成 1：数据字节传输成功完成—由硬件置 1，前提是满足 NOSTRETCH=0 且：—接收过程中接收到一个新字节（包括 ACK 脉冲）但尚未读取 DR 寄存器 (RxNE=1)。—发送过程中将发送一个新字节但尚未向 DR 寄存器写入数据 (TxE=1)。—由软件读或写 DR 寄存器来清零，或在发送过程中出现起始或停止位后由硬件清零，也可 以在 PE=0 时由硬件清零。注意：收到 NACK 后 BTF 位不会置 1如果下一个要发送的字节为 PEC（I2C_SR2 寄存器中的 TRA=1，I2C_CR1 寄存器中的 PEC=1），则 BTF 位不会置 1

位 1 ADDR：地址已发送（主模式）/地址匹配（从模式） 

由软件在读取 SR1 寄存器后读取 SR2 寄存器来清零，或在 PE=0 时由硬件清零。

地址匹配（从模式）：0：地址不匹配或未接收到地址。1：接收到的地址匹配。—当接收到的从地址与 OAR 寄存器内容、广播呼叫地址或 SMBus 器件默认地址匹配时，或者 识别到 SMBus 主机或 SMBus 报警时，该位由硬件置 1。（根据配置确定何时使能）。

地址已发送（主模式）0：地址发送未结束 1：地址发送结束—在 10 位寻址模式下，接收到第二个地址字节的 ACK 后该位置 1。—在 7 位寻址模式下，接收到地址字节的 ACK 后该位置 1。注意：收到 NACK 后 ADDR 位不会置 1

位 0 SB：起始位 (Start bit)（主模式）

0：无起始位 1：起始位已经发送。—生成启动条件时置 1。—由软件在读取 SR1 寄存器后写入 DR 寄存器来清零，或在 PE=0 时由硬件清零

2.4. I2C状态寄存器2（I2C_SR2）

位 15:8 PEC[7:0] 数据包错误校验寄存器

ENPEC=1 时，此寄存器包含内部 PEC。

位 7 DUALF：双标志 (Dual flag)（从模式）

0：接收到的地址与 OAR1 匹配 1：接收到的地址与 OAR2 匹配—出现停止位、重复起始位或 PE=0 时由硬件清零。 

位 6 SMBHOST：SMBus 主机头 (SMBus host header)（从模式）

0：无 SMBus 主机地址 1：SMBTYPE=1 且 ENARP=1 时接收到 SMBus 主机地址。—出现停止位、重复起始位或 PE=0 时由硬件清零。 

位 5 SMBDEFAULT：SMBus 器件默认地址 (SMBus device default address)（从模式）

0：无 SMBus 器件默认地址 1：ENARP=1 时接收到 SMBus 器件默认地址—出现停止位、重复起始位或 PE=0 时由硬件清零。 

位 4 GENCALL：广播呼叫地址 (General call address)（从模式）0：无广播呼叫 1：ENGC=1 时接收到广播呼叫地址—出现停止位、重复起始位或 PE=0 时由硬件清零。

位 3 保留，必须保持复位值 

位 2 TRA：发送器/接收器 (Transmitter/receiver)

0：接收器 1：发送器此位在整个地址阶段的结尾处根据地址字节的 R/W 位状态进行置 1。同样，检测到停止位 (STOPF=1)、重复起始位、总线仲裁丢失 (ARLO=1) 或当 PE=0 时该位 也由硬件清零。 

位 1 BUSY：总线忙碌 (Bus busy) 

0：总线上无通信 1：总线正在进行通信—检测到 SDA 或 SCL 低电平时由硬件置 1 —检测到停止位时由硬件清零。该位指示总线上是否正在进行通信。即使禁止接口 (PE=0) 后此信息也会更新。 

位 0 MSL：主/从模式 (Master/slave) 

0：从模式 1：主模式—接口进入主模式时 (SB=1) 由硬件置 1。—检测到总线上的停止位、仲裁丢失 (ARLO=1) 或当 PE=0 时由硬件清零

2.5. I2C时钟控制寄存器（I2C_CCR）

位 15 F/S：I2C 主模式选择 (I2C master mode selection

0：标准模式 I2C1：快速模式 I2C

位 14 DUTY：快速模式占空比 (Fast mode duty cycle

0：快速模式 tlow/thigh = 21：快速模式 tlow/thigh = 16/9

位 11:0 CCR[11:0]：快速/标准模式下的时钟控制寄存器 (Clock control register in Fast/Standard mode)（主模式）

控制主模式下的 SCL 时钟。

标准模式或 SMBus 模式：Thigh = CCR * TPCLK1Tlow = CCR * TPCLK1

快速模式：如果 DUTY = 0：Thigh = CCR * TPCLK1Tlow = 2 * CCR * TPCLK1

如果 DUTY = 1：（达到 400 kHz） Thigh = 9 * CCR * TPCLK1Tlow = 16 * CCR * TPCLK1

例如：要在标准模式下生成 100 kHz 的 SCL 频率：如果 FREQR = 08，TPCLK1 = 125 ns，则必须将 CCR 编程为 0x28(0x28 <=> 40d x 125 ns = 5000 ns)。

注意：1.允许的最小值为 0x04，但快速占空比模式例外，其最小值为 0x01.这些时间均未经过滤波。.CCR 寄存器必须仅在禁止 I2C (PE = 0) 的情况下配置。

2.6.  I2C TRISE寄存器（I2C_TRISE）

这些位必须编程为 I2C 总线规范中给定的最大 SCL 上升时间加 1。例如：标准模式下允许的最大 SCL 上升时间为 1000 ns。如果 I2C_CR2 寄存器中 FREQ[5:0] 位的值等于 0x08 且 TPCLK1 = 125 ns，则 TRISE[5:0] 位 必须编程为 09h。(1000 ns / 125 ns = 8 + 1)滤波器值也可以叠加到 TRISE[5:0]。如果结果不为整数，则 TRISE[5:0] 必须编程为整数部分，以符合 tHIGH 参数要求。注意：TRISE[5:0] 必须仅在禁止 I2C (PE = 0) 的情况下配置

2.7.  I2C FLTR寄存器（I2C_FLTR）

位 4 ANOFF：模拟噪声滤波器关闭 (Analog noise filter OFF)0：使

能模拟噪声滤波器1：禁止模拟噪声滤波器注意：ANOFF 必须仅在禁止 I2C (PE = 0) 的情况下配置。 

位 3:0 DNF[3:0]：数字噪声滤波器 (Digital noise filter) 

这些位用于配置 SDA 和 SCL 输入端的数字噪声滤波器。数字滤波器可抑制脉宽达 DNF[3:0] * TPCLK1 以下的尖峰。

0000：禁止数字噪声滤波器 

0001：使能数字噪声滤波器，滤波能力可达 1* TPCLK1。

... 

1111：使能数字噪声滤波器，滤波能力可达 15* TPCLK1。 

注意：DNF[3:0] 必须仅在禁止 I2C (PE = 0) 的情况下配置。如果模拟滤波器也已使能，则需将 数字滤波器添加到模拟滤波器中。

三、编程方法

编程方法主要是写代码测试两个I2C设备进行的通讯是否正常，由于STM32系列的硬件I2C不是很好用，容易卡死发不出来数据，所以我们下面的代码是用软件模拟I2C通讯过程。

首先说编程步骤：

第一步，引脚初始化操作，使能对应的GPIO时钟（若使用硬件I2C需要同时使能I2C时钟），配置相应的GPIO为输出开漏模式（也可以将CLK引脚配置为GPIO为推挽模式）；

第二步，根据I2C时序写对应的函数：比如I2C_Start()，I2C_Stop()，I2C_Wait_Ack()，I2C_Ack()，I2C_Nack()，

第三步，写读写函数I2C_Send_Byte(u8 data)，u8 I2C_Read_Byte(u8 ack)，

向I2C从设备中写数据的步骤

1）启动通信，调用I2C_Start()函数，发送Start信号，启动i2c通信；

2）发送设备地址和写操作位；

3）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认地址已经成功接收，如果没有收到应答，则可能出现问题或者设备故障

4）发送寄存器地址，发送要写入的寄存器地址给从设备，指明要将数据写入到哪个寄存器中；

5）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认寄存器地址已成功接收；

6）发送数据，将写入的数据发送到从设备的寄存器中

7）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认数据已经成功接收；

8）如果要连续写入多个寄存器，重复步骤4-7，每次发送新的寄存器地址和相应的数据

9）结束通信，发送停止信号stop来结束I2C通信。

要从从设备寄存器中读取数据的步骤

1）启动通信，调用I2C_Start()函数，发送Start信号，启动i2c通信；

2）发送设备地址和写操作位；

3）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认地址已经成功接收；

4）发送寄存器地址，告诉从设备从它的那个寄存器中读取数据，

5）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认寄存器地址已成功接收；

6）重新启动通信，发送重新启动信号，把通信转为读操作

7）发送从设备地址和读操作位，

8）等待应答，等待从设备发送应答信号ACK确认寄存器地址已成功接收；

9）从设备读取数据，从从设备中读取读取寄存器的数据；根据从设备的规格和寄存器的数据格式，确定正确的读取方式，如读取一个字节或者多个字节；

10）发送不应答信号，如果只读取一个字节数据，可以发送不应答信号NACK告诉从设备这是最后一个要读取的字节；

11）结束通信，发送停止信号stop来结束I2C通信。

以下是一些关键代码实现：

void IIC_Init(void){  RCC->AHB1ENR|=1<<1;//使能PORTB时钟  GPIO_Set(GPIOB,PIN8,GPIO_MODE_OUT,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_SPEED_50M,GPIO_PUPD_PD);  GPIO_Set(GPIOB,PIN9,GPIO_MODE_OUT,GPIO_OTYPE_OD,GPIO_SPEED_50M,GPIO_PUPD_PD);  IIC_SDA=1;  IIC_SCL=1;}void IIC_Start(void){  SDA_OUT();  IIC_SDA=1;  IIC_SCL=1;  delay_us(4);  IIC_SDA=0;  delay_us(4);  IIC_SCL=0;               //钳住IIC总线，准备发送或接收数据}void IIC_Stop(void){  SDA_OUT();  IIC_SCL=0;  IIC_SDA=0;  delay_us(4);  IIC_SCL=1;  IIC_SDA=1;  delay_us(4);}u8 IIC_Wait_Ack(void){  u8 ucErrTtime=0;  SDA_IN();  IIC_SDA=1;  delay_us(1);  IIC_SCL=1;  delay_us(1);  while(READ_SDA)  {    ucErrTtime++;    if(ucErrTtime>250)    {      IIC_Stop();      return 1;    }  }  IIC_SCL=0;  return 0;}void IIC_Ack(void){  IIC_SCL=0;  SDA_OUT();  IIC_SDA=0;  delay_us(2);  IIC_SCL=1;  delay_us(2);  IIC_SCL=0;}void IIC_NAck(void){  IIC_SCL=0;  SDA_OUT();  IIC_SDA=1;  delay_us(2);  IIC_SCL=1;  delay_us(2);  IIC_SCL=0;}//IIC发送一个字节//返回从机有无应答//1:有应答  0，无应答void IIC_Send_Byte(u8 txd){  u8 i;  SDA_OUT();  IIC_SCL=0;  for(i=0;i<8;i++)  {    IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;    txd<<=1;    delay_us(2);    IIC_SCL=1;    delay_us(2);    IIC_SCL=0;    delay_us(2);  }}//读一个字节  ack=1;发送ACK，ack=0，发送NAcku8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack){  unsigned char i,receive=0;  SDA_IN();  for(i=0;i<8;i++)  {    IIC_SCL=0;    delay_us(2);    IIC_SCL=1;    if(READ_SDA==1)  //总线上是1    {      receive|=(0x80>>i);    }    else    {      receive&=~(0x80>>i);    }//    receive<<=1;//    if(READ_SDA)//    {receive++;}    delay_us(1);  }  if(!ack)    IIC_NAck();  else     IIC_Ack();  return receive;}