STM32F103 学习笔记-24-I2C-读写EEPROM(第4节)-STM32的I2C通讯过程

一、I2C 硬件外设与状态监控概述

STM32 的 I2C 外设完全兼容标准 I2C 协议，能够自动处理起始信号、停止信号、地址帧、数据帧和应答信号的收发。在通讯过程中，I2C 外设会通过 状态寄存器 SR1 和 SR2 实时更新当前的工作状态。我们通过读取这些寄存器的特定位，就能精确掌握通讯的每一个环节是否正常完成。

生活类比：I2C 通讯就像两个人打电话。你（主机）先拨号（发送起始信号+从机地址），对方接听（应答），然后你说话（发送数据）或者听对方说话（接收数据），最后挂电话（停止信号）。状态寄存器就像是电话的通话状态提示，告诉你"对方已接听"、"对方正在说话"、"通话已结束"等信息。

二、I2C 主发送器通讯过程

主发送器模式是指 STM32 作为主机，向 I2C 总线上的从设备发送数据。

2.1 整体通讯流程

标准 I2C 主发送流程如下：

复制代码

起始信号(S) → 从机地址(7位)+写方向(0) → 应答(A) → 数据1 → 应答(A) → ... → 数据N → 应答(A) → 停止信号(P)

2.2 分步详解与硬件事件

每一步操作都会触发相应的硬件事件，我们通过检测这些事件来确认操作完成。

1. 产生起始信号 (S)

控制操作 ：将 控制寄存器 CR1 的 START 位 置 1
硬件事件 ：产生 EV5 事件 ，对应 SR1 寄存器的 SB 位 = 1
事件含义：起始条件已成功发送到 I2C 总线

2. 发送从机地址与写方向

控制操作 ：向 数据寄存器 DR 写入从机地址 + 写方向位（最低位为 0）
硬件事件 ：产生 EV6 事件 （SR1 的 ADDR 位 = 1）和 EV8 事件（SR1 的 TXE 位 = 1）
事件含义：
- ADDR = 1：从机地址已发送完毕，且收到了从机的应答信号
- TXE = 1：数据寄存器 DR 已为空，可以写入下一个数据

3. 发送数据字节

控制操作 ：向 数据寄存器 DR 写入要发送的字节数据
硬件事件 ：产生 EV8 事件（SR1 的 TXE 位 = 1）
事件含义：当前字节已发送完毕，数据寄存器为空，可以写入下一个字节
重复此过程：直到所有数据字节都发送完成

4. 产生停止信号 (P)

控制操作 ：将 控制寄存器 CR1 的 STOP 位 置 1
前置条件 ：必须先检测 EV8_2 事件（SR1 的 TXE 位 = 1 且 BTF 位 = 1）
事件含义：BTF（字节发送完成）位 = 1 表示不仅数据寄存器为空，移位寄存器中的最后一位数据也已经发送到总线上

重要区别：TXE 只表示数据寄存器为空，而 BTF 表示整个字节都已发送完毕。发送最后一个字节后必须检测 BTF 位，否则可能导致最后一个字节丢失。

三、I2C 主接收器通讯过程

主接收器模式是指 STM32 作为主机，从 I2C 总线上的从设备读取数据。

3.1 整体通讯流程

标准 I2C 主接收流程如下：

复制代码

起始信号(S) → 从机地址(7位)+读方向(1) → 应答(A) → 数据1 → 主机应答(A) → ... → 数据N → 主机非应答(NACK) → 停止信号(P)

3.2 分步详解与硬件事件

1. 产生起始信号 (S)

控制操作 ：将 控制寄存器 CR1 的 START 位 置 1
硬件事件 ：产生 EV5 事件 ，对应 SR1 寄存器的 SB 位 = 1
事件含义：起始条件已成功发送到 I2C 总线

2. 发送从机地址与读方向

控制操作 ：向 数据寄存器 DR 写入从机地址 + 读方向位（最低位为 1）
硬件事件 ：产生 EV6 事件（SR1 的 ADDR 位 = 1）
事件含义：从机地址已发送完毕，且收到了从机的应答信号，从机即将开始发送数据

3. 接收数据字节（非最后一个字节）

前置配置 ：将 控制寄存器 CR1 的 ACK 位 置 1（使能应答）
硬件事件 ：产生 EV7 事件（SR1 的 RXNE 位 = 1）
事件含义：已成功接收一个字节，数据寄存器 DR 中有有效数据
控制操作 ：读取 数据寄存器 DR 的值，存入内存变量
重复此过程：直到接收完倒数第二个字节

4. 接收最后一个字节并结束通讯

前置配置 ：在接收最后一个字节之前，将 控制寄存器 CR1 的 ACK 位 置 0（禁止应答），同时将 STOP 位 置 1
硬件事件 ：产生 EV7 事件（SR1 的 RXNE 位 = 1）
控制操作 ：读取 数据寄存器 DR 的值，存入内存变量
自动操作：I2C 硬件会自动发送非应答信号 (NACK) 和停止信号 (P)

关键要点：I2C 协议规定，主机接收最后一个字节时必须发送非应答信号，通知从机停止发送数据。这个操作必须在读取最后一个字节之前完成。

四、状态寄存器标志位的清除方法

所有状态寄存器的标志位都需要通过特定的软件操作来清除，否则会影响下一次通讯。常用标志位的清除方式如下表：

标志位	所在寄存器	清除方法
SB（起始位发送）	SR1	先读 SR1，再写 DR 寄存器
ADDR（地址发送完成）	SR1	先读 SR1，再读 SR2 寄存器
TXE（发送数据寄存器空）	SR1	向 DR 寄存器写入数据
RXNE（接收数据寄存器非空）	SR1	读取 DR 寄存器
BTF（字节发送完成）	SR1	先读 SR1，再读/写 DR 寄存器
AF（应答失败）	SR1	软件写 0 清除

五、为什么必须检测状态事件？

STM32 的 CPU 内核运行速度非常快（最高 72 MHz），而 I2C 总线的最高速度只有 400 kHz。CPU 执行一条指令只需要十几个纳秒，而 I2C 发送一个字节需要几十微秒。

如果 CPU 不等待 I2C 硬件完成当前操作就直接进行下一步，会导致：

数据还没发送完就被新数据覆盖
还没接收到数据就读取 DR 寄存器得到无效值
通讯时序混乱，从设备无法正确识别信号

检测状态事件本质上是让 CPU "等一等" I2C 硬件，确保每一步操作都正确完成后再进行下一步。

六、注意事项（避坑指南）

必须正确清除标志位：每个标志位的清除方式都不同，错误的清除方式会导致通讯卡死。
最后一个字节必须发送非应答：主接收模式下，忘记在最后一个字节前关闭应答会导致从机持续发送数据，总线被占用。
发送停止信号前必须检测 BTF 位：只检测 TXE 位会导致最后一个字节丢失。
总线忙检测：通讯开始前应检测 SR2 的 BUSY 位，确保总线空闲。
超时处理：所有状态检测都应添加超时机制，防止总线故障导致程序无限等待。

参考出处

《零死角玩转 STM32F103 - 指南者》第 24 章 I2C - 读写 EEPROM

STM32F10x 中文参考手册第 24 章 I2C 接口