【STM32】IIC - 技术栈

超级常见的外设通信方式，一般叫做I方C。

大部分图片来源：正点原子HAL库课程

专栏目录：记录自己的嵌入式学习之路-CSDN博客

[1 基本概念](#1 基本概念)

[1.1 总线结构](#1.1 总线结构)

[1.2 IIC协议](#1.2 IIC协议)

[1.3 软件模拟IIC逻辑](#1.3 软件模拟IIC逻辑)

[2 AT24C02](#2 AT24C02)

[2.1 设备地址与通信地址](#2.1 设备地址与通信地址)

[2.2 读写操作模式](#2.2 读写操作模式)

[2.3 写时序](#2.3 写时序)

[2.4 读时序](#2.4 读时序)

[2.5 驱动步骤（例程中使用的是软件IIC）](#2.5 驱动步骤（例程中使用的是软件IIC）)

[2.6 SDA的GPIO使用开漏输出的原因](#2.6 SDA的GPIO使用开漏输出的原因)

[3 硬件IIC](#3 硬件IIC)

[3.1 概述](#3.1 概述)

[3.2 配置](#3.2 配置)

[3.3 注意事项](#3.3 注意事项)

[4 关于AT24C04、AT24C08、AT24C16](#4 关于AT24C04、AT24C08、AT24C16)

1 基本概念

IIC：Inter Integrated Circuit，集成电路总线，是一种同步、串行、半双工通信总线。

1.1 总线结构

一般来说IIC总线接3个设备就差不多了。
IIC的时钟信号是由主机发出的。

1.2 IIC协议

主机通过SDA传输数据时，数据在SCL为高电平时有效。
在主机传输完毕一个字节的数据后，其需要释放SDA，使得从机可以通过拉低SDA来应答确认数据收到。

1.3 软件模拟IIC逻辑

由于初期ST官方说自己的IIC有问题，口碑没做上来，导致大家都使用软件IIC代替其内部的硬件IIC实现。但其实硬件IIC应该没啥大问题，详见：

关于STM32的I2C（IIC）问题的讨论 (stmicroelectronics.cn)

2 AT24C02

EEPROM是一种掉电后数据不丢失的储存器，常用来存储一些配置信息，在系统重新上电时就可以加载。AT24C02是一个2K bit的EEPROM存储器，使用IIC通信方式。

2.1 设备地址与通信地址

通讯地址指定了操作的写和读；
而设备地址不包括读写位；
编程时需要发送出去的是通讯地址，不是设备地址；
对于4K、8K、16K的存储芯片，由于IIC发送一个字节是8位，而4K是9位，因此需要在通讯地址处借1位进行数据发送，8K和16K也是以此类推。但是这样一来通讯地址的可用枚举就变少了，因为A0、A1、A2的位置被拿去做内存扩展了。最终的结果就是，IIC总线上可搭载的该类设备的数量会大打折扣，如16K的就只能搭载一个了。

2.2 读写操作模式

写操作
- AT24C02支持字节写模式和页写模式，其实也并不是什么字节写，实际上就是在IIC主机发送了数据地址信号后到发送停止信号前，最多可以写到页尾，仅此而已；
- 其本质就是：收到每个数据字后，数据字地址的低三位(1K/2K)或四位(4K、8K、16K)在内部递增。较高的数据字地址位不递增，保留存储器页面行位置。当内部生成的字地址到达页面边界时，随后的字节被放置在同一页面的开头。如果超过八个(1K/2K)或十六个(4K、8K、16K)数据字传输到EEPROM，数据字地址将"翻转",先前的数据将被覆盖。
- 字节写模式就是一个地址一个数据进行写入；
- 页写模式就是连续写入数据。只需要写一个地址，连续写入数据时地址会自增，但存在页的限制，超出一页时，超出数据覆盖原先写入的数据。但读会自动翻页。因此，若需要使用页写模式，就需要手动在写完一页后进行翻页。
读操作
- AT24C02支持当前地址读模式，随机地址读模式和顺序读模式；
- 当前读模式是基于上一次读/写操作的最后位置继续读出数据；
- 随机地址读模式是指定地址读出数据；
- 顺序读模式是连续读出数据。

2.3 写时序

2.4 读时序

2.5 驱动步骤（例程中使用的是软件IIC）

2.6 SDA的GPIO使用开漏输出的原因

3 硬件IIC

（正点原子没讲硬件IIC，这个是参考野火的HAL库教程的）

STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C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I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

3.1 概述

STM32F103具有2个I2C总线接口，能够工作于多主模式或从模式，支持标准（100kHz）和快速模式（400kHz）。I2C接口支持7位或10位寻址，7位从模式时支持双从地址寻址。内置了硬件CRC发生器/校验器。它们可以使用DMA操作并支持SMBus总线2.0版/PMBus总线。

时钟
- STM32F103的两个IIC接口外设都挂载在APB1时钟总线上；
- 为了产生正确的时序，必须在I2C_CR2寄存器中设定该模块的输入时钟。输入时钟的频率必须至少是（但APB1一般都会满足吧）：
  - 标准模式下为：2MHz；
  - 快速模式下为：4MHz；

3.2 配置

由于正点原子和野火都没讲硬件IIC的配置，因此此处的配置步骤是我通过网络上的CubeMX教程总结来的（没错，就连正点原子的CubeMX教程都是用模拟IIC的）。

CubeMX方式
- 根据需要控制的IIC外部原件连接的GPIO其对应的IIC外设进行使能，例如正点原子F103板子上的AT24C02接在PB6、PB7上，因此是I2C1：
- 配置IIC的设置，对于AT24C02，除了速率外基本不需要变：
- 在高速模式下，有一个Fast Mode Duty，是用来调节高速模式下的占空比的，据野火教程说两个选项没太大差别，一般使用可以随便选；
HAL库函数手动编写方式
- 初始化IIC：HAL_I2C_Init
- 初始化时钟和GPIO：HAL_I2C_MspInit
在需要的位置使用HAL_I2C_Mem_Read或者HAL_I2C_Mem_Write进行读写。这两个函数直接可以一次性指定目标从机地址、寄存器地址、要写入寄存器的数据等，超级方便：
- - hi2c：IIC句柄；
  - DevAddress：从机通讯读地址（注意是通讯地址，不是设备地址，分读写地址不同那个）；
  - MemAddress：操作的从机寄存器地址；
  - MemAddSize：从机寄存器数据宽度；
  - pData：准备写入的数据的地址或指针；
  - Size：准备写入的数据的字节数；
  - Timeout：超时时间；
- - pData：返回的数据将要写入的缓存地址或指针（一般为变量地址或数组地址）；
  - 其余与上一个类似；
除了上述两个函数外，还有两个函数可以实现IIC通信：HAL_I2C_Master_Receive和HAL_I2C_Master_Transmit。这两个只能同时发送从机地址和数据，适合写入和读取那种从机内无需寄存器地址就能读到数据的从机，如传感器之类的。
- 有博主提出使用HAL_I2C_Mem_Write等于先使用HAL_I2C_Master_Transmit传输第一个寄存器地址，再用HAL_I2C_Master_Transmit传输写入第一个寄存器的数据。我没有试验过，不知道对不对。

3.3 注意事项

在使用HAL_I2C_Mem_Write的过程中，需要注意AT24C02一页只有8个字节的数据，所以一次Write的长度最多是8，要在循环写32次才能写完整片。循环过程记住要改变MemAddress（每次+8）；
在Write的循环中，请务必务必在每次Write后delay一段时间，具体的时间可根据EEPROM手册上说的时间设置，最好设置大一点；
在读写过程中设置的超时时间也应设置大一点；
不过在HAL_I2C_Mem_Read过程中就不需要分页，直接能读256个字节；

4 关于AT24C04、AT24C08、AT24C16

前面提到，这几个性高的通讯地址中有一定的位数是寄存器地址的借位：

由于其数据地址的借位，在发送通讯地址的时候，要结合数据地址对通讯地址进行处理。这篇文章讲得很好：

AT24C04、AT24C08、AT24C16系列EEPROM芯片单片机读写驱动程序-CSDN博客

这里截取一下其对写入的处理：

其中，第一个IIC_WriteByte，实际上是将设备地址DEV_ADDR和写地址WRITE_CMD（即0）或操作组成通讯的写地址；其次，对数据地址进行右移8位，并与0x07进行与运算，实际上就是取出数据地址中高8位的低3位，即通讯地址中的P2、P1、P0（若有的话对应位就是1，所以用或运算很安全）。然后还对取出的低三位进行了左移1位运算，再与通讯地址做与运算，这是因为通讯地址的最低位是读/写设置位。

第二个IIC_WriteByte就是将剩下的8位数据地址也发过去，发完就可以开始发数据了。