STM32—I2C

1.I2C

• I2C总线(Inter l0 BUs)是由Philips公司开发的一种通用数据总线
• 两根通信线:SCL(Serial Clock)、SDA(Serial Data)
• 同步，半双工
• 带数据应答
• 支持总线挂载多设备(一主多从、多主多从)

MPU6050模块：可以进行姿态测量，使用了12C通信协议

第3个图片是AT24C02，存储器模块

第4个图片是DS3231，实时时钟模块

2.硬件电路

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KQ左右

这个图就是I2C的一个典型电路模型，这是一个一主多从的模型，左边CPU就是我们的单片机，作为总线的主机，主机的权力很大，包括，对SCL线的完全控制，任何时候，都是主机完全掌控SCL线，另外在空闲状态下，主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机，这就是主机的权力

然后看下面，这一系列都是被控IC，也就是，挂载在I2C总线上的从机，这些从机可以是姿态传感器、OLED、存储器、时钟模块等，从机的权利比较小，对于SCL时钟线，在任何时刻都只能被动的读取，从机不允许控制SCL线，对于SDA数据线，从机不允许主动发起对SDA的控制，只有在主机发送读取从机的命令后，或者从机应答的时候，从机才能短暂地取得SDA的控制权，这就是一主多从模型中协议的规定

然后看接线，这里第一条写的是，所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起，这就是接线要求，在这个图里可以看到，主机SCL线一条拽出来，所有从机的SCL都接在这上面，主机SDA线也是一样，拽出来，所有从机的SDA接在这上面，这就是SCL和SDA的接线方式

先忽略上面两个电阻，假设我们就这样连接，那如何规定每个设备SCL和SDA的输入输出模式呢，SCL应该好规定，因为现在是一主多从，主机拥有SCL的绝对控制权，所以主机的SCL可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或者上拉输入，数据流向是，主机发送，所有从机接收，但是到SDA线这里，就比较麻烦了，因为这是半双工的协议，所以主机的SDA在发送的时候是输出，同样，从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换，如果你能协调好输入输出的切换时机，那其实也没问题，但是这样做，如果总线时序没协调好，极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态，如果这时又正好是一个输出高电平，一个输出低电平，那这个状态就是电源短路，这个状态是要极力避免的，所以为了避免总线没协调好导致电源短路这个问题，12C的设计是，禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构，这两点规定就是上面的这两条，设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式，SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KQ左右

所有的设备，包括CPU和被控IC，它引脚的内部结构都是右图这样的，左边这一块是SCL的结构，这里SCLK就是SCL的意思，右边这一块是SDA的结构，这里DATA就是SDA的意思，首先引脚的信号进来，都可以通过一个数据缓冲器或者是施密特触发器，进行输入，因为输入对电路没有任何影响，所以任何设备在任何时刻都是可以输入的，但是在输出的这部分，采用的是开漏输出的配置，图为推挽输出

开漏输出就是去掉这个强上拉的开关管，输出低电平时，下管导通，是强下拉，输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空的状态，这就是开漏输出

和这里图示是一样的，输出低电平，这个开关管导通，引脚直接接地，是强下拉，输出高电平，这个开关管断开，引脚什么都不接，处于浮空状态，这样的话，所有的设备都只能输出低电平而不能输出高电平，为了避免高电平造成的引脚浮空，这时就需要在总线外面，SCL和SDA各外置一个上拉电阻，这是通过一个电阻拉到高电平的，所以这是一个弱上拉

用我们之前将的弹簧和杆子的模型来解释就是，SCL或SDA就是一根杆子，为了防止有人向上推杆子，有人向下拉杆子，造成冲突，我们就规定，所有的人，不准向上推杆子，只能选择往下拉或者放手，然后，我们再外置一根弹簧向上拉，你要输出低电平，就往下拽，这根弹簧肯定拽不赢你，所以弹簧被拉伸，杆子处于低电平状态，你要输出高电平，就放手，杆子在弹簧的拉力下，回弹到高电平，这就是一个弱上拉的高电平，但是完全不影响数据传输，这样做有什么好处？

• 第一，完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全，你看所有人无论怎么拉杆子或者放手，杆子都不会处于一个被同时强拉和强推的状态，即使有多个人同时往下拉杆子，也没问题
• 第二，避免了引脚模式的频繁切换，开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能，你要是想输出，就去拉杆子或放手，操作杆子变化就行了，你要是想输入，就直接放手，然后观察杆子高低就行了，因为开漏模式下，输出高电平就相当于断开引脚，所以在输入之前，可以直接输出高电平，不需要再切换成输入模式了
• 第三，就是这个模式会有一个“线与”的现象，就是只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平，只有所有设备都输出高电平，总线才处于高电平，12C可以利用这个电路特性，执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，所以这里SCL虽然在一主多从模式下可以用推挽输出，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式，因为在多主机模式下会利用到这个特征

3.I2C时序基本单元

起始和终止，都是由主机产生的，从机不允许产生起始和终止，所以在总线空闲状态时，从机必须始终双手放开，不允许主动跳出来去碰总线，如果允许的话，那就是多主机模型了

高电平期间，SDA不允许变化，SCL处于高电平之后，从机需要尽快地读取SDA，一般都是在上升沿这个时刻，从机就已经读取完成了，因为时钟是主机控制的，从机并不知道什么时候就会产生下降沿了，你从机要是磨磨唧唧的，主机可不会等你的，所以从机在上升沿时，就会立刻把数据读走，那主机在放手SCL一段时间后，就可以继续拉低SCL，传输下一位了，主机也需要在SCL下降沿之后尽快把数据放在SDA上，但是主机有时钟的主导权，所以主机并不需要那么着急，只需要在低电平的侄意时刻把数据放在SDA上就行了

另外注意，这里是高位先行，所以第一位是一个字节的最高位B7，然后依次是次高位B6，这个和串口不一样，另外，由于这里有时钟线进行同步，所以如果主机一个字节发送一半，突然进中断了，不操作SCL和SDA了，那时序就会在中断的位置不断拉长，SCL和SDA电平都暂停变化，传输也完全暂停，等中断结束后，主机回来继续操作，传输仍然不会出问题，这就是同步时序的好处

最后就是，由于这整个时序是主机发送一个字节，所以在这个单元里，SCL和SDA全程都由主机掌控，从机只能被动读取，这就是发送一个字节的时序

刚才我们说了，释放SDA其实就相当于切换成输入模式，或者这样来理解，所有设备包括主机都始终处于输入模式，当主机需要发送的时候，就可以主动去拉低SDA，而主机在被动接收的时候，就必须先释放SDA，不要去动它，以免影响别人发送，因为总线是线与的特征，任何一个设备拉低了，总线就是低电平，如果你接收的时候，还拽着SDA不放手，那别人无论发什么数据，总线都始终是低电平，你自己给它拽着不放，还让别人怎么发送呢，是吧，所以主机在接收之前，需要释放SDA

当我们在调用发送一个字节之后，就要紧跟着调用接收应答的时序，用来判断从机有没有收到刚才给它的数据，如果从机收到了，那在应答位这里，主机释放SDA的时候，从机就应该立刻把SDA拉下来，然后在SCL高电平期间，主机读取应答位，如果应答位为0，就说明从机确实收到了，这个场景就是，主机刚发送一个字节，然后说，有没有人收到啊，我现在把SDA放手了哈，如果有人收到的话，你就把SDA拽下来，然后主机高电平读取数据，发现，唉，确实有人给它拽下来了，那就说明有人收到了，如果主机发现，我松手了，结果这个SDA就跟着回弹到高电平了，那就说明没有人回应我，或者它收到了但是没给我回应，这就是发送一个字节，接收应答的流程

同理，在接收一个字节之后，我们也要给从机发送一个应答位，发送应答位的目的是告诉从机，你是不是还要继续发，如果从机发送一个数据后，得到了主机的应答，那从机就还会继续发送，如果从机没得到主机的应答，那从机就会认为，啊，我发送了一个数据，但是主机不理我，可能主机不想要了吧，这时从机就会乖乖地释放SDA，交出SDA的控制权，防止干扰主机之后的操作，这是应答位的执行流程

4.I2C时序

4.1指定地址写

起始条件开始后，主机必须首先调用发送一个字节，来进行从机的寻址和指定读写标志位，如图示的波形，表示本次寻址的目标是1101000的设备，同时，最后一位读写标志为0，表示主机接下来想要发送数据，接着从机发送应答，

在这个时刻，主机要释放SDA，所以如果单看主机的波形，应该是这样，释放SDA之后，引脚电平回弹到高电平，

但是根据协议规定，从机要在这个位拉低SDA，所以单看从机的波形，应该是这样，该应答的时候，从机立刻拽佳SDA，然后应答结束之后，从机再放开SDA

那现在综合两者的波形，结合线与的特性，在主机释放SDA之后，由于SDA也被从机拽住了，所以主机松手后，SDA并没有回弹高电平，这个过程，就代表从机产生了应答，最终高电平期间，主机读取SDA，发现是0，就说明，我进行寻址，有人给我应答了，传输没问题，如果主机读取SDA，发现是1就说明，我进行寻址，应答位期间，我松手了，但是没人拽住官，没人给我应答，那就直接产生停止条件吧，并提示一些信息

然后这个上升沿，就是应答位结束后，从机释放SDA产生的，从机交出了SDA的控制权，因为从机要在低电平尽快变换数据，所以这个上升沿和SCL的下降沿，几乎是同时发生的

由于之前我们读写位给了0，
所以应答结束后，我们要继续发送一个字节，同样的时序再来一把，第二个字节，就可以送到指定设备的内部了，从机设备可以自己定义第二个字节和后续字节的用途，一般第二个字节可以是寄存器地址或者是指令控制字等，比如MPU6050定义的第二个字节就是寄存器地址，比如AD转换器，第二个字节可能就是指令控制字，比如存储器，第二个字节可能就是存储器地址

那图示这里，主机发送这样一个波形，我们--判定，数据为0001 1001，即，主机向从机发送了0x19这个数据，在MPU6050里，就表示我要操作你0x19地址下的寄存器了，接着同样，是从机应答，主机释放SDA，从机拽住SDA，SDA表现为低电平，主机收到应答位为0，表示收到了从机的应答，然后继续，同样的流程再来遍，主机再发送一个字节，这个字节就是主机想要写入到0x19地址下寄存器的内容了，就表示，我要在0x19地址下，写入0xAA，

最后是接收应答位，如果主机不需要继续传输了，就可以产生停止条件(Stop，P)，在停止条件之前，先拉低SDA，为后续SDA的上升沿作准备，然后释放SCL，再释放SDA，这样就产生了SCL高电平期间，SDA的上升沿，这样一个完整的数据帧就拼接完成了

这个数据帧的目的就是，对于指定从机地址为1101000的设备，在其内部0x19地址的寄存器中，写入0XAA这个数据，这就是指定地址写的时序

4.2当前地址读

起始条件开始后，主机必须首先调用发送一个字节，来进行从机的寻址和指定读写标志位，

如图示的波形，表示本次寻址的目标是1101000的设备，同时，最后一位读写标志为1，表示主机接下来想要读取数据，紧跟着，发送一个字节之后，接收一下从机应答位，从机应答0，代表从机收到了第一个字节，在从机应答之后，

从这里开始，数据的传输方向就要反过来了，因为刚才主机发出了读的指令，所以这之后，主机就不能继续发送了，要把SDA的控制权交给从机，主机调用接收一个字节的时序，进行接收操作，然后在这一块，从机就得到了主机的允许可以在SCL低电平期间写入SDA，然后主机在SCL高电平期间读取SDA，那最终，主机在SCL高电平期间依次读取8位，就接收到了从机发送的一个字节数据，0000 1111，也就是0x0F

那现在问题就来了，这个0xOF是从机哪个寄存器的数据呢，我们看到，在读的时序中12C协议的规定是，主机进行寻址时，一旦读写标志位给1了，下一个字节就要立马转为读的时序，所以主机还来不及指定，我想要读哪个寄存器，就得开始接收了，所以这里就没有指定地址这个环节，那主机并没有指定寄存器的地址，从机到底该发哪个寄存器的数据呢，这就需要用到我们上面说的当前地址指针了

在从机中，所有的寄存器被分配到了一个线性区域中，并且，会有一个单独的指针变量，指示这其中一个寄存器，这个指针上电默认，一般指向0地址，并且，每写入一个字节和读出一个字节后，这个指针就会自动自增一次，移动到下一个位置，那么在调用当前地址读的时序时，主机没有指定要读哪个地址，从机就会返回当前指针指向的寄存器的值，那假设，我刚刚调用了这个指定地址写的时序，在0x19的位置写入了0xAA，那么指针就会+1，移动到0x1A的位置，我再调用这个当前地址读的时序，返回的就是0x1A地址下的值，如果再调用一次呢，返回的就是0x1B地址下的值，这就是当前地址读时序的操作逻辑，由于当前地址读并不能指定读的地址，所以这个时序用的不是很多

4.3指定地址读

下面的时序在这里分隔一下，前面的部分是指定地址写，但是只指定了地址，还没来得及写，后面的部分是当前地址读，因为我们刚指定了地址，所以再调用当前地址读，两者加在一起，就是指定地址读了

首先，最开始，仍然是启动条件，然后发送一个字节，进行寻址，这里指定从机地址是1101000，读写标志位是0，代表我要进行写的操作，经过从机应答之后，再发送一个字节，第二个字节，用来指定地址，这个数据就写入到了从机的地址指针里了，也就是说，从机接收到这个数据之后，它的寄存器指针就指向了0x19这个位置，之后，我们要写入的数据，不给它发，而是直接再来个起始条件，

这个Sr(Start Repeat)的意思就是重复起始条件，相当于另起一个时序，因为指定读写标志位只能是跟着起始条件的第一个字节，所以如果想切换读写方向，只能再来个起始条件，然后起始条件后，重新寻址并且指定读写标志位，此时读写标志位是1，代表我要开始读了，接着主机接收一个字节，这个字节是不是就是0x19地址下的数据，这就是指定地址读

另外在这里，你也可以再加一个停止条件，这样也行，这样的话，就是两个完整的时序了，先起始，写入地址，停止，因为写入的地址会存在地址指针里面，所以这个地址并不会因为时序的停止而消失，我们就可以再起始，读当前位置，停止，这样两条时序也可以完成任务

但是12C协议官方规定的复合格式是一整个数据帧，就是先起始、再重复起始、再停止，相当于把两条时序拼接成一条了

4.4高级一点

如果你只想写一个字节，那就停止，就行了，如果你想写多个字节，就可以把这最后一部分，多重复几次，写入一次后，地址指针会自动+1，变成0x1A，所以这第二个数据就写入到了0x1A的位置

这样这个时序就进阶为，在指定的位置开始，按顺序连续写入多个字节

然后同理，当前位置读和指定位置读，也可以多次执行这最后一部分时序，由于地址指针在读后也会自增，所以这样就可以连续读出一片区域的寄存器

如果你只想读一个字节就停止的话，在读完一个字节之后，一定要给从机发个非应答(Send Ack, SA)，非应答，就是该主机应答的时候，主机不把SDA拉低，从机读到SDA为1，就代表主机没有应答，从机收到非应答之后，就知道主机不想要继续了，从机就会释放总线，把SDA控制权交还给主机，如果主机读完仍然给从机应答了，从机就会认为主机还想要数据，就会继续发送下一个数据，而这时，主机如果想产生停止条件，SDA可能就会因为被从机拽住了，而不能正常弹回高电平

如果主机想连续读取多个字节，就需要在最后一个字节给非应答，而之前的所有字节都要给应答，简单来说就是主机给应答了，从机就会继续发，主机给非应答了，从机就不会再发了，交出SDA的控制权，从机控制SDA发送一个字节的权利，开始于读写标志位为1，结束于主机给应答为1，这就是主机给从机发送应答位的作用