学习笔记–stm32I2C通信

目录

一、IIC协议

1.1 简介

1.2 I2C物理层

1.3 I2C主要特点

1.4 总结

二、I2C时序基本单元

2.1起始条件

2.2终止条件

2.3发送一个字节

2.4接收应答

2.5接收一个字节

2.6发送应答

三、I2C时序

3.1指定设备指定地址写

3.2指定设备当前地址读

3.3指定设备指定地址读

一、IIC协议

1.1 简介

        IIC通讯协议（Inter IC BUS，习惯叫I2C）是由Philip飞利浦公司开发的，由于它所需引脚少，硬件实现简单，可拓展性强，广泛用于系统内多个集成电路IC（芯片）间的通讯。        

这里对比一下串口通信：

串口通信也是两根信号线，依靠异步通信实现了全双工（即设备之间约定好通信速度）；I2C则是拿其中一根信号线用来同步时钟，实现了半双工

异步的缺点是依赖硬件支持，数据传输出现暂停时，接收方是不知道的；而同步则相反，不依赖硬件（这也是大家喜欢模拟IIC的原因），数据传输可以暂停

串口通信的收发设备双方在传输数据时彼此之间没有应答机制，均不知道对方是否收到了数据，I2C则规定了应答

串口通信没有主机从机的概念，因为绑定了传输数据的对象，I2C则是多主多从，只要是挂载到信号线上的设备，都可以实现通信

比喻一下：串口通信传输数据的方式就像是不用言说、忠贞不渝的夫妻，I2C则是一个公共邮筒，需要通信的双方通过书信往来（当然会署名，收到才回信）

1.2 I2C物理层

        它是一个支持多设备通信的总线。“总线”指多个设备共用的信号线，一条SDA（双向串行数据线）、一条SCL（串行时钟线）。数据线用来传输数据，时钟线用来同步设备之间数据的收发。每个设备的数据线、时钟线都对应挂在总线上。

1.3 I2C主要特点

        为了方便通常把I2C设备分为主设备和从设备，谁控制时钟线（即控制SCL的高低电平变换）谁就是主设备。

        这里涉及到「开漏输出」、「上拉电阻」和「线与」三个概念。这对于I2C总线协议绝对是关键所在。因为有那么多的设备，仅仅通过这两根总线来进行通信，哪个时刻谁发谁收，很容易乱。

开漏输出和上拉电阻

        在芯片中，当输出为漏极开路（OD）或集电极开路（OC）时，简称开漏输出，它只能输出低电平和高阻态（可理解为开路，阻抗无穷大）。（这其实就避免了主从设备都输出高电平时导致短路的问题）

        正因此，开漏输出好比「要么拉低要么放手」，使得设备要想使用总线只能输出低电平来占用总线，从而实现了「线与」的功能，「线与」就是逻辑与，输入有若干个，这里想表达的意思是——当总线上只要有一个设备输出低电平（线与为0），总线便处于低电平状态，称为占用状态。

        那高阻态有什么用呢？根据前面的分析，设备只能给总线输出低电平，怎么拉高呢？这时候，上拉电阻就起作用了，简单理解就是上拉电阻可以拉高引脚的电平。当设备输出高阻态，同时没有其他设备占用总线（拉低总线电平），即所有设备都输出高阻态，那么此时总线就会被上拉电阻上拉到高电平称为空闲状态，也实现了「线与」功能（全输入1，才输出1）。

（不能用推挽输出吗？推挽输出不需要上拉电阻，但mos管阻抗小，容易造成短路，而且也实现不了线与）

1.4 总结

     物理层上由两根总线SDA（传输数据）、SCL（同步数据收发）以及上拉电阻组成，每个设备的SDA、SCL都挂载在对应总线上。通过默认配置各设备的SDA、SCL为开漏输出，加上上拉电阻，实现了逻辑线与功能。设备要想使用总线，需要输出低电平。当所有设备都输出高电平，总线才表现为高电平。控制占用时钟线的设备为主设备。

二、I2C时序基本单元

2.1起始条件

SCL高电平期间（空闲状态），SDA从高电平切换到低电平，随后，SCL切换到低电平（表示主机开始占用）

2.2终止条件

SCL高电平期间（空闲状态），SDA从低电平切换到高电平

2.3发送一个字节

主机占用SCL，主机依次将数据位放到SDA线上（高位先行），然后主机释放SCL，从机会在SCL高电平期间读取数据位，循环此过程8次，即可发送一个字节数据，

2.4接收应答

主机发送完一个字节后（主机继续占用时钟线），主机释放SDA（等待且允许从机控制数据线），然后主机释放SCL，读取一位数据，用于判断从机是否应答（即是否收到数据），数据0表示应答，数据1表示非应答

（形象地说就是：主机发送完一个字节，问”有没有人收到？我现在松开数据线了哈！如果有人收到，就把数据线拽下来“。接着主机松开时钟线读取SDA。如果主机发现自己松手后，数据线没变化还是高电平，说明从机没收到数据，反之说明从机收到了数据）

2.5接收一个字节

主机占用SCL，主机释放数据线，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后主机释放SCL。主机将在SCL高电平期间读取数据位，循环此过程8次，即可接收一个字节数据

（图中实线代表主机控制，虚线代表从机控制）

2.6发送应答

主机接收完一个字节后（主机继续占用SCL），主机发送一位数据（数据数据0表示应答，数据1表示非应答），主机释放SCL，等待从机读走数据线。如果从机读到了主机的应答，它可以接着向主机发送数据；如果没得到应答，会以为主机接收失败或者主机不需要接收了，这两种情况都需要交出数据线的控制权，对于主机接收失败，主机会重新开始和从机通信；而对于不需要接收了，主机可能会向从机发送其他数据了。

三、I2C时序

主机在和从机通信前，需要进行”点名“，所有从机都会收到第一个字节，这个字节就是某个从设备的地址，所有从设备都会将其和自己的名字进行比较，确认是在叫自己后，该从设备就响应之后主机的读写操作。

有关从机设备的地址，I2C协议标准里分为7位和10位地址（7位地址较为普遍）。

        为什么是7位？因为还有1位用来确认主机是要读/写从机。0表示主机将向从机发送数据，1表示主机将向从机接收数据。

        每个I2C设备出厂时，厂商都会分配一个默认的7位地址（具体需要查芯片手册），比如某个型号的MPU6050的是1101000，为什么说某个型号呢？因为同一型号的一般来说地址默认的都是一样的，如果实在需要挂载在同一I2C总线下，也有办法解决：7位地址中存在可变部分（具体地以芯片手册为准）。仍以MPU6050为例，最后一位可由模块的AD0引脚确定，当它接低电平时，地址为1101000，接高电平时，1101001

3.1指定设备指定地址写

起始条件后，主机控制时钟线，发送第一个字节用于指定设备+指定写，接收应答，再发送一个字节指定地址（从机内部寄存器的地址），接收应答

主机发送N字节+接收N应答
终止条件

3.2指定设备当前地址读

起始条件后，主机控制时钟线，发送第一个字节用于指定设备+指定读，接收应答

从当前地址开始读N字节，接收N应答

终止条件

当前地址读？哪个当前地址？（因为指定设备时如果指定读，主机就不能再控制数据线，写入要读的地址了）

实际上，从机内部所有的寄存器都被分配到了一个线性区域（可以简单理解成一个线性数组），并且，有一个单独的指针变量，指着其中一个寄存器（其中一个数组元素），这个指针就称为当前地址指针，它上电默认指定数组[0]。每写入一个字节或读出一个字节后，指针会自增一次， 指向下一个寄存器。

比如以3.1中的图片时序为例，在0x19地址下写入了一个字节，如果调用指定设备当前地址读时序，就会读出0x1A的数据，再接着读，读出0x1B的数据……

3.3指定设备指定地址读

3.2的操作虽然有些麻烦，而且通常我们也不这么用，但是！如果只是指定了地址，不写入字节，那么！接下来就可以指定地址连续读！

这就是指定设备指定地址读的思路，一般也称这种时序为复合格式。

 起始条件后，主机控制时钟线，发送第一个字节用于指定设备+指定写，接收应答，再发送一个字节指定地址（从机内部寄存器的地址），接收应答（当前地址指针已指向准备写入的寄存器地址）

不发送要写入的字节，转而再发送起始条件，发送第一个字节用于指定设备+指定读，接收应答

往后就可以连续读出N字节数据，发送N字节应答

终止条件（这里需要注意，不打算接着读，在此前要发送非应答，这样从机才知道主机不接着读了！！！）

作者：LateBloomer777