STM32F103 学习笔记-24-I2C-读写EEPROM(第2节)-I2C协议层介绍

三品吉他手会点灯2026-06-15 10:41

一、I2C 协议层概述

I2C 协议分为 物理层 ​ 和 协议层​ 两部分：

  • 物理层：规定了电气特性（如两根线、上拉电阻、电平标准）

  • 协议层 ：规定了通讯的逻辑规则，包括 起始/停止信号、数据有效性、地址广播、响应机制、仲裁​ 等核心环节

为什么写程序必须精通协议层？

物理层只需要了解硬件连接方式，而协议层直接决定了代码的编写逻辑。所有 I2C 设备的通讯都必须严格遵守协议层规则，否则会出现通讯失败、数据错乱等问题。

二、I2C 三种基本通讯流程

I2C 是 主从结构​ 的通讯协议：

  • 主机：负责产生时钟信号、起始/停止信号，发起通讯（STM32 通常作为主机）

  • 从机：被动响应主机的通讯请求，总线上可以连接多个从机（最多 127 个 7 位地址设备）

生活类比

I2C 总线就像一个课堂：主机是老师，从机是学生。老师（主机）控制上课铃（时钟 SCL）和说话（数据线 SDA），学生（从机）只能在老师允许的时候发言。

2.1 主机写数据到从机（写流程）

数据包结构
复制代码 
起始信号 → 从机地址(7位) + 写方向位(0) → 从机应答(ACK) → 数据字节1 → 从机应答 → ... → 数据字节N → 从机应答 → 停止信号
流程说明

  1. 主机产生起始信号，通知所有从机"通讯开始"

  2. 主机广播从机地址 + 写方向位，总线上所有从机对比自己的地址

  3. 地址匹配的从机返回应答信号，表示"我在，可以接收数据"

  4. 主机开始发送数据字节，每发完一个字节等待从机应答

  5. 所有数据发送完成后，主机产生停止信号，结束通讯

生活类比

上课铃响（起始信号）→ 老师点名"小明"（地址+写）→ 小明答"到"（ACK）→ 老师讲课（发送数据）→ 小明每听懂一个知识点点头（ACK）→ 下课铃响（停止信号）

2.2 主机从从机读数据（读流程）

数据包结构
复制代码 
起始信号 → 从机地址(7位) + 读方向位(1) → 从机应答(ACK) → 从机发数据字节1 → 主机应答 → ... → 从机发数据字节N → 主机非应答(NACK) → 停止信号
流程说明

  1. 主机产生起始信号

  2. 主机广播从机地址 + 读方向位

  3. 地址匹配的从机返回应答信号

  4. 从机开始向主机发送数据字节，每发完一个字节等待主机应答

  5. 主机接收完最后一个字节后，发送 非应答信号 (NACK)，通知从机"不需要再发了"

  6. 主机产生停止信号，结束通讯

生活类比

上课铃响（起始信号）→ 老师点名"小明，回答问题"（地址+读）→ 小明答"到"（ACK）→ 小明回答问题（发送数据）→ 老师每听完一句点头（ACK）→ 老师说"够了"（NACK）→ 下课铃响（停止信号）

2.3 复合格式（先写后读，最常用）

为什么需要复合格式？

从机内部通常有多个寄存器或存储单元（如 EEPROM 的 256 个字节、传感器的温度寄存器）。主机需要先告诉从机"我要操作哪个内部地址"，然后才能进行读写操作。

数据包结构
复制代码 
起始信号1 → 从机地址+写方向 → 从机应答 → 内部地址(寄存器/存储器地址) → 从机应答 → 重复起始信号2 → 从机地址+读方向 → 从机应答 → 从机发数据 → 主机应答 → ... → 主机NACK → 停止信号
关键区别

  • 包含 两个起始信号，没有中间的停止信号

  • 第一个写过程用于指定从机的内部地址

  • 第二个读过程用于读取该内部地址的数据

重要区分：设备地址 ≠ 内部地址

  • 设备地址：从机在 I2C 总线上的唯一标识（相当于学生的名字）

  • 内部地址：从机内部某个寄存器或存储单元的地址（相当于学生的数学成绩、语文成绩等属性）

生活类比

上课铃响（起始1）→ 老师点名"小明"（地址+写）→ 小明答"到"（ACK）→ 老师说"报一下你的数学成绩"（内部地址）→ 小明点头（ACK）→ 老师再问"好了吗"（重复起始2+地址+读）→ 小明答"到"（ACK）→ 小明报成绩"90分"（发送数据）→ 老师说"知道了"（NACK）→ 下课铃响（停止信号）

三、I2C 关键信号时序详解

所有 I2C 信号都是通过 SDA（串行数据线） ​ 和 **SCL（串行时钟线）**​ 的不同电平组合来表示的。

3.1 起始信号（S）与停止信号（P）

时序定义

  • 起始信号 ：SCL 为高电平时，SDA 由高电平变为低电平

  • 停止信号 ：SCL 为高电平时，SDA 由低电平变为高电平

重要规则

  1. 起始和停止信号 必须由主机产生

  2. 总线上检测到起始信号后，所有从机开始监听地址

  3. 检测到停止信号后，通讯结束，总线回到空闲状态（SDA 和 SCL 都为高电平）

代码示例（GPIO 模拟）

复制代码 
// bsp_i2c.h
#define SCL_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)
#define SCL_LOW()   GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)
#define SDA_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)
#define SDA_LOW()   GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)
#define SDA_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7)

// bsp_i2c.c
// 产生起始信号
void I2C_Start(void) {
    SDA_HIGH();  // 先确保SDA和SCL都为高（总线空闲）
    SCL_HIGH();
    Delay_us(1); // 满足时序要求，标准模式至少4.7us
    SDA_LOW();   // SCL高时SDA变低，产生起始
    Delay_us(1);
    SCL_LOW();   // 拉低SCL，准备传输数据
}

// 产生停止信号
void I2C_Stop(void) {
    SDA_LOW();   // 先确保SDA为低
    SCL_HIGH();
    Delay_us(1);
    SDA_HIGH();  // SCL高时SDA变高，产生停止
    Delay_us(1);
}

3.2 数据有效性规则

核心规则

  • SCL 为高电平时，SDA 必须保持稳定，此时数据有效（高电平 = 逻辑 1，低电平 = 逻辑 0）

  • SCL 为低电平时，SDA 可以切换电平，准备下一个数据位

为什么这样设计？

SCL 是同步时钟，只有在 SCL 高电平时，接收方才会采样 SDA 的电平。如果 SCL 高电平时 SDA 发生变化，会导致采样错误。

传输规则

  • 每个时钟周期传输 1 位数据

  • 8 个时钟周期传输 1 个字节，高位在前（MSB）

3.3 从机地址与数据方向

3.3.1 7 位地址模式（最常用）

I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际 99% 的外设使用 7 位地址。

  • 7 位地址 + 1 位读写方向位 = 1 个完整的 8 位字节

    • 读写方向位：0表示写方向（主机 → 从机），1表示读方向（从机 → 主机）
新手最容易混淆的地址问题
概念 定义 示例（AT24C02）
7 位设备地址​ 芯片手册中给出的地址，不包含读写方向位 0x50
8 位写地址​ 7 位地址左移 1 位 + 0 0x50 << 1 |0 = 0xA0
8 位读地址​ 7 位地址左移 1 位 + 1 0x50 << 1 |1 = 0xA1

避坑提示

90% 的 I2C 通讯失败都是因为地址错误！很多芯片手册写的是 7 位地址，写代码时一定要左移 1 位再加上读写方向位。

3.3.2 10 位地址模式（极少用）

用于总线上设备超过 127 个的情况，地址分为两个字节传输：

  1. 第一个字节：11110+ 地址最高 2 位 + 读写方向位

  2. 第二个字节：地址低 8 位

3.4 响应（ACK/NACK）机制

核心规则

每传输完 1 个字节（8 位）后，必须有 1 位响应信号，占用第 9 个时钟周期。

响应信号的产生者

响应信号由 数据接收方​ 产生（谁接收数据谁响应）：

  • 写流程：主机发送数据，从机响应

  • 读流程：从机发送数据，主机响应

信号定义

  • ACK（应答）：接收方将 SDA 拉低，表示"我收到了，可以继续发送"

  • NACK（非应答）：接收方将 SDA 保持高电平，表示"我不需要了，请停止传输"

总线控制权切换

发送方在第 9 个时钟周期会 释放 SDA 的控制权（将 SDA 设为高阻态），由接收方控制 SDA 的电平来表示应答或非应答。

代码示例
复制代码 
// 等待从机应答，返回1=应答成功，0=应答失败
uint8_t I2C_WaitAck(void) {
    uint8_t ack;
    SDA_HIGH();       // 主机释放SDA，设为输入模式
    Delay_us(1);
    SCL_HIGH();       // 第9个时钟脉冲
    Delay_us(1);
    if(SDA_READ()) {  // 读取SDA电平
        ack = 0;      // 高电平=非应答
    } else {
        ack = 1;      // 低电平=应答
    }
    SCL_LOW();        // 拉低SCL，结束应答周期
    return ack;
}

// 主机产生应答信号
void I2C_Ack(void) {
    SDA_LOW();        // 拉低SDA表示应答
    Delay_us(1);
    SCL_HIGH();
    Delay_us(1);
    SCL_LOW();
    SDA_HIGH();       // 释放SDA
}

// 主机产生非应答信号
void I2C_NAck(void) {
    SDA_HIGH();       // 保持高电平表示非应答
    Delay_us(1);
    SCL_HIGH();
    Delay_us(1);
    SCL_LOW();
}

四、I2C 单字节读写完整代码框架（GPIO 模拟）

复制代码 
// 主机向从机发送一个字节
void I2C_SendByte(uint8_t byte) {
    uint8_t i;
    for(i=0; i<8; i++) {  // 发送8位，高位在前
        if(byte & 0x80) {
            SDA_HIGH();
        } else {
            SDA_LOW();
        }
        Delay_us(1);
        SCL_HIGH();      // 拉高SCL，让从机采样
        Delay_us(1);
        SCL_LOW();       // 拉低SCL，准备下一位
        byte <<= 1;      // 左移一位，准备发送下一位
    }
    I2C_WaitAck();       // 等待从机应答
}

// 主机从从机接收一个字节
uint8_t I2C_ReceiveByte(void) {
    uint8_t i, byte=0;
    SDA_HIGH();          // 主机释放SDA，设为输入模式
    for(i=0; i<8; i++) {
        SCL_HIGH();      // 拉高SCL，采样数据
        Delay_us(1);
        byte <<= 1;
        if(SDA_READ()) {
            byte |= 0x01;
        }
        SCL_LOW();       // 拉低SCL
        Delay_us(1);
    }
    return byte;
}

// 主机向从机指定内部地址写一个字节
uint8_t I2C_WriteByte(uint8_t dev_addr_7bit, uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte((dev_addr_7bit << 1) | 0);  // 发送7位地址+写方向
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0; }
    
    I2C_SendByte(reg_addr);                  // 发送内部寄存器地址
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0; }
    
    I2C_SendByte(data);                      // 发送数据
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0; }
    
    I2C_Stop();
    return 1;
}

// 主机从从机指定内部地址读一个字节
uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t dev_addr_7bit, uint8_t reg_addr) {
    uint8_t data;
    I2C_Start();
    I2C_SendByte((dev_addr_7bit << 1) | 0);  // 第一步：写内部地址（复合格式）
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0xFF; }
    
    I2C_SendByte(reg_addr);                  // 发送要读取的内部地址
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0xFF; }
    
    I2C_Start();                              // 重复起始信号
    I2C_SendByte((dev_addr_7bit << 1) | 1);  // 第二步：发送7位地址+读方向
    if(!I2C_WaitAck()) { I2C_Stop(); return 0xFF; }
    
    data = I2C_ReceiveByte();                 // 接收数据
    I2C_NAck();                               // 主机发送非应答
    I2C_Stop();
    
    return data;
}

五、注意事项（避坑指南）

  1. 地址混淆问题：一定要区分 7 位设备地址和 8 位读写地址，写代码时 7 位地址必须左移 1 位

  2. 总线死锁问题：如果通讯异常中断，从机可能一直拉低 SDA 导致总线死锁。解决方法：主机发送 9 个时钟脉冲，让从机释放 SDA

  3. 时序要求：标准模式（100kHz）下，高低电平持续时间至少 4.7us；快速模式（400kHz）下至少 1.3us

  4. 应答信号不可忽略：每发送一个字节必须等待应答，否则会导致通讯不同步

  5. 复合格式必须用重复起始：不能先停止再起始，否则从机会丢失之前的内部地址信息

  6. GPIO 模式必须正确 ：SDA 和 SCL 必须配置为 开漏复用输出，不能用推挽输出，否则会导致总线冲突

参考出处

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

  2. STM32F10x 中文参考手册 第 24 章 I2C 接口

  3. I2C 总线协议官方规范 v2.1

相关推荐
项目題供诗1 小时前
STM32-DMA数据转运+AD多通道（二十一）
stm32·单片机·嵌入式硬件
z200509301 小时前
【C++学习】C++ 类型转换深度解析：从 C 风格缺陷到 C++ 四种安全转换的思想内核
c语言·c++·学习
三品吉他手会点灯2 小时前
STM32F103 学习笔记-24-I2C-读写EEPROM(第3节)-STM32的I2C框图详解
笔记·stm32·学习
sheeta19982 小时前
LeetCode 每日一题笔记 日期：2026.06.14 题目：2130. 链表最大孪生和
笔记·leetcode·链表
踏着七彩祥云的小丑2 小时前
嵌入式测试学习第 36 天：串口日志分析、通过日志定位简单问题
单片机·嵌入式硬件·学习
Flittly2 小时前
【AgentScope Java新手村系列】（7）子Agent编排
java·spring boot·笔记·spring·ai
MartinYeung52 小时前
[论文学习]LLM 情境学习资料的快速精确遗忘技术:基于 In-Context Learning 与量化 K-Means 的 ERASE 方法
学习·算法·kmeans
踏着七彩祥云的小丑2 小时前
Go学习第8天：接口 + 泛型 + 错误处理
开发语言·学习·golang·go
fanged2 小时前
高通学习12--调试工具（TODO）
学习
热门推荐
01HTTP 与 HTTPS 的区别：从原理到实战详解022026 AI 编程工具终极实战指南：Cursor vs Claude Code vs Copilot，开发者该怎么选？032026年6月AI行业全景：从百模大战到Agent元年，这30天发生了什么？04【AI】2026 年具身智能模型和世界模型总结052026 年 AI 编程工具终极横评：Cursor vs Claude Code vs Copilot vs Windsurf06AI科技热点日报 | 2026年6月1日07GitHub 镜像站点08Claude Code、Codex、Cursor三分天下：2026年AI编程Agent生态全景剖析09《置身钉内》原文-可播放阅读10AI一周事件 · 2026-06-03 至 2026-06-09