I2C協議簡介

本篇是我關於stm32中I2C的學習筆記,大部分參考的是《【野火®】零死角玩轉STM32—F103-MINI》以及《STM32中文參考手冊_V10》。推薦大家自己下去可以仔細閱讀。
由於本篇只是簡單介紹I2C的協議,所以關於stm32寄存器的相關介紹就沒有寫。


  • I2C 通訊協議(Inter-Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司開發的,由於它引腳少,硬件 實現簡單,可擴展性強,不需要 USART、CAN 等通訊協議的外部收發設備,現在被廣泛地使用在系統內多個集成電路(IC)間的通訊。
  • 在計算機科學裏,大部分複雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分爲內核層和片上外設;STM32 標準庫則是在寄存器與用戶代碼之間的軟件層。對於通訊協議,我們也以分層的方式來理解,最基本的是把它分爲物理層和協議層。物理層規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性,確保原始數據在物理媒體的傳輸協議層主要規定通訊邏輯,統一收發雙方的數據打包、解包標準。

一、I2C 物理層

常見的 I2C 通訊系統
在這裏插入圖片描述

  • (1) 它是一個支持設備的總線。“總線”指多個設備共用的信號線。在一個 I2C 通訊總線中,可連接多個 I2C 通訊設備,支持多個通訊主機及多個通訊從機。
  • (2) 一個 I2C 總線只使用兩條總線線路,一條雙向串行數據線(SDA),一條串行時鐘線(SCL)。數據線即用來表示數據,時鐘線用於數據收發同步。
  • (3) 每個連接到總線的設備都有一個獨立的地址,主機可以利用這個地址進行不同設備之間的訪問。
  • (4) 總線通過上拉電阻接到電源。當 I2C設備空閒時,會輸出高阻態,而當所有設備都空閒,都輸出高阻態時,由上拉電阻把總線拉成高電平。 (理解這點很重要)
  • (5) 多個主機同時使用總線時,爲了防止數據衝突,會利用仲裁方式決定由哪個設備佔用總線。
  • (6) 具有三種傳輸模式:標準模式傳輸速率爲100kbit/s ,快速模式爲 400kbit/s ,高速模式下可達 3.4Mbit/s,但目前大多 I2C 設備尚不支持高速模式。
  • (7) 連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF 限制 。

二、協議層

I2C 的協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、響應、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環節

1. I2C 基本讀寫過程

  • 主機寫數據到從機在這裏插入圖片描述

  • 主機由從機中讀數據
    在這裏插入圖片描述

  • I2C 通訊複合格式
    在這裏插入圖片描述

這裏是引用
在這裏插入圖片描述

  • 些圖表示的是主機和從機通訊時,SDA 線的數據包序列
  • 其中 S 表示由主機的 I2C 接口產生的傳輸起始信號(S),這時連接到 I2C總線上的所有從機都會接收到這個信號。
  • 起始信號產生後,所有從機就開始等待主機緊接下來廣播的從機地址信號(SLAVE ADDRESS)。在I2C 總線上,每個設備的地址都是唯一的,當主機廣播的地址與某個設備地址相同時,這個設備就被選中了,沒被選中的設備將會忽略之後的數據信號。
  • 根據 I2C 協議,這個從機地址可以是 7 位或 10 位。 在地址位之後,是傳輸方向的選擇位,該位爲 0 時,表示後面的數據傳輸方向是由主機傳輸至從機,即主機向從機寫數據。該位爲 1 時,則相反,即主機由從機讀數據。
  • 從機接收到匹配的地址後,主機或從機會返回一個應答(ACK)或非應答(NACK)信號,只有接收到應答信號後,主機才能繼續發送或接收數據。
  • 寫數據
    若配置的方向傳輸位爲“寫數據”方向,即第一幅圖的情況,廣播完地址,接收到應答信號後,主機開始正式向從機傳輸數據(DATA),數據包的大小爲 8 位,主機每發送完一個字節數據,都要等待從機的應答信號(ACK),重複這個過程,可以向從機傳輸 N 個數據,這個 N 沒有大小限制。當數據傳輸結束時,主機向從機發送一個停止傳輸信號§,表示不再傳輸數據。
  • 讀數據
    若配置的方向傳輸位爲“讀數據”方向,即第二幅圖的情況,廣播完地址,接收到應答信號後,從機開始向主機返回數據(DATA),數據包大小也爲 8 位,從機每發送完一個數據,都會等待主機的應答信號(ACK),重複這個過程,可以返回 N 個數據,這個 N 也沒有大小限制。當主機希望停止接收數據時,就向從機返回一個非應答信號(NACK),則從機自動停止數據傳輸。
  • 讀和寫數據
    除了基本的讀寫,I2C 通訊更常用的是複合格式,即第三幅圖的情況,該傳輸過程有兩次起始信號(S)。一般在第一次傳輸中,主機通過 SLAVE_ADDRESS 尋找到從設備後,發送一段“數據”,這段數據通常用於表示從設備內部的寄存器或存儲器地址(注意區分它與 SLAVE_ADDRESS 的區別);在第二次的傳輸中,對該地址的內容進行讀或寫。也就是說,第一次通訊是告訴從機讀寫地址,第二次則是讀寫的實際內容。

2. 通訊的起始和停止信號

前文中提到的起始(S)和停止§信號是兩種特殊的狀態。當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換,這個情況表示通訊的起始。當 SCL 是高電平時 SDA線由低電平向高電平切換,表示通訊的停止。起始和停止信號一般由主機產生。

起始和停止信號
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3. 數據有效性

  • I2C 使用 SDA 信號線來傳輸數據,使用 SCL 信號線進行數據同步。見圖 24-6。SDA數據線在 SCL 的每 個時鐘週期傳輸一位數據。傳輸時,SCL 爲高電平的時候 SDA 表示的數據有效,即此時的 SDA 爲高電平時表示數據“1”,爲低電平時表示數據“0”。當 SCL爲低電平時,SDA 的數據無效,一般在這個時候 SDA 進行電平切換,爲下一次表示數據做好準備。
  • 每次數據傳輸都以字節爲單位,每次傳輸的字節數不受限制。
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4. 地址及數據方向

  • I2C 總線上的每個設備都有自己的獨立地址,主機發起通訊時,通過 SDA 信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機。I2C 協議規定設備地址可以是 7 位或 10 位,實際中 7 位的地址應用比較廣泛。緊跟設備地址的一個數據位用來表示數據傳輸方向,它是數據方向位(R/W)第 8 位或第 11 位。數據方向位爲“1”時表示主機由從機讀數據,該位爲“0”時表示主機向從機寫數據。
  • 讀數據方向時,主機會釋放對 SDA 信號線的控制,由從機控制 SDA 信號線,主機接收信號,寫數據方向時,SDA 由主機控制,從機接收信號。
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5. 響應

  • I2C 的數據和地址傳輸都帶響應。響應包括“應答(ACK)”和“非應答(NACK)”兩種信號。作爲數據接收端時,當設備(無論主從機)接收到 I2C 傳輸的一個字節數據或地址後,若希望對方繼續發送數據,則需要向對方發送“應答(ACK)”信號,發送方會繼續發送下一個數據;若接收端希望結束數據傳輸,則向對方發送“非應答(NACK)”信號,發送方接收到該信號後會產生一個停止信號,結束信號傳輸。

  • 傳輸時主機產生時鐘,在第 9 個時鐘時,數據發送端會釋放 SDA 的控制權,由數據接收端控制SDA,若SDA 爲高電平,表示非應答信號(NACK),低電平表示應答信號(ACK)。
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三、STM32 I2C接口

1.功能框圖

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2.發送接受數據序列圖

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3.中斷請求

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