I2C

I2C通讯协议（Inter-Integrated Cricuit）.
1.物理层

I2C物理层

它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA),
一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据（传输数据），时钟线用于数据收发同步。（原理：时钟线需要按相应的波频进行扫描检测电压，如高电代表逻辑1，低电平代表逻辑0，扫描到高低电平得出相应数据）
所有通讯都是由主机开始到从机的，因此时钟信号线也是从主机开始到从机的。通讯时，首先由主机产生方波到从机，进行数据同步，从机通过SCL线同步得知高电平和低电平出现的频率，根据此频率对SDA线进行数据采样。
与串口通讯不同，串口通信直接用数据线连接两个设备，且连接时不能连接其他的设备以免产生设备通讯干扰。而I2C协议通过总线通讯，只要连接总线根据相应设备的地址（每个设备的编号都是不同的）就可进行通信，只要两根总线就可控制多个外设，不存在上述问题。
注：地址一般用一个二进制七位数据来表示，最多128个设备。
总线通过上拉电阻连接到（3.3V）电源。总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
高阻态：配置GPIO时，若使用推挽输出模式，逻辑1为3.3V，逻辑0为0V；而使用高阻态时，不能使用推挽输出而应该使用开漏输出模式，逻辑1为电阻无穷大状态，逻辑0为0V。

2.协议层
I2C协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
（1）I2C基本读写过程
主机写数据到从机：S（传输开始信号）+从机地址+R/W(置0代表写)+应答/非应答+数据+应答/非应答+数据+应答/非应答+P（传输停止信号）。（除应答/非应答，数据都是主机向从机传输，其他为数据从从机传输到主机）。
主机从从机读数据：基本同上，但R/W位置1代表读，数据传输为从机到主机。
上文提到的取地址即是广播，取地址只有主机才能对从机使用，从机不能对主机进行取址；应答/非应答是确认数据地址确实有对应从机，即需要从机发送信号确认，才会开始传输。
（2）通讯的起始和停止信号：

起始信号图

当SCL线是高电平时SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。
当SCL是高电平时SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。
起始和停止信号一般由主机产生。
（3）数据有效性
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步，SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。
当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
（4）地址及数据方向
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。设备地址可以是7位或10位。（一般都是7位）
紧跟设备地址的一个数据位R/W用来表示数据传输方向，数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。
（5）响应
I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。
3.STM32 的I2C外设
软件模拟协议:使用CPU直接控制通讯引脚的电平，产生出符合通讯协议标准的逻辑。
硬件实现协议:由STM32的I2C片上外设专门负责实现l2C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l2C协议的方式减轻了CPU的工作,且使软件设计更加简单。
（1）通信引脚：

I2C框图：

（2）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；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T(low)/T(high)=2或T(low)/T(high)=16/9模式；CCR寄存器中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外设输入时钟源为PCLK1。

I2C的时钟控制寄存器CCR模式

快速模式下进一步模式控制
另

注：SMBus——
系统管理总线(SMBus)是一个两线接口。通过它，各设备之间以及设备与系统的其他部分之间可以互相通信。它基于I2C操作原理。SMBus为系统和电源管理相关的任务提供一条控制总线。一个系统利用SMBus可以和多个设备互传信息，而不需使用独立的控制线路。
系统管理总线(SMBus)标准涉及三类设备。从设备，接收或响应命令的设备。主设备，用来发布命令，产生时钟和终止发送的设备。主机，是一种专用的主设备，它提供与系统CPU的主接口。主机必须具有主-从机功能，并且必须支持SMBus通报协议。在一个系统里只允许有一个主机。

SMBus与I2C区别

如何使用SMBus模式的接口
为了从I2C模式切换到SMBus模式，应该执行下列步骤：
设置I2C_CR1寄存器中的SMBus位
按应用要求配置I2C_CR1寄存器中的SMBTYPE和ENARP位。
如果你想把设备配置成主设备，产生起始条件的步骤见15.4.2 I2C主模式。否则，参见15.4.1I2C从模式。
软件程序必须处理多种SMBus协议。
如果ENARP=1且SMBTYPE=0，使用SMB设备默认地址。
如果ENARP=1且SMBTYPE=1，使用SMB主设备头字段。
如果SMBALERT=1，使用SMB提醒响应地址。

（3）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。

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：
（1）在从模式下，地址并不会复制到 DR 中。
（2）硬件不对写冲突进行管理（TxE=0 时也可对DR 写操作）。
（3）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。

STM32的I2C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(SR及SR2)”的不同数据位写入参数，通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
（1）主发送器

主发送器通讯过程

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;
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

SB位

ADDR位

（2）主接收器

主接收器通信过程
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，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;
发送非应答信号后，产生停止信号§，结束传输。