GPIO-I2C - 技术栈

引言

我们在前面学习完了USART，我们知道串口是一对一进行通信的。接下来我们学习的I2C是支持多对多和一对多的，但是我们学习过程中，只考虑一对多。

特点

两线制：一根SCL线用于传输时钟信号，一根SDA用于传输数据信号。

多主机/多从机：支持多对多和一对多，但是我们考虑的，和绝大多数情况都是一对多。

设备地址：一般为七位加一位读写位。

同步串行通信：所有数据都靠SCL时钟来控制。

半双工：同一时刻支持一个方向的传输。

速度模式：标准模式（100kbps），快速模式（400kbps）和快速模式+（1Mbps）

STM32F103ZET6和I2C

首先I2C是MCU上的片上外设，有两个I2C接口，其接线位置如下

和USART相同，在使用I2C的时候，需要复用GPIO接口

这里是对输出进行了复用，且使用开漏模式。但是在前面我们说一个GPIO的引脚，要么是输入，要么输出，为什么这里输入和输出用的是一个引脚呢？这里对输入并不是设置，只是当外部电压变化，内部可以感知到，并没有去配置输入模式之类的。

I2C基本通信原理

这个图中，我们除了SCL和SDA外，还看到了接VDD的两个上拉电阻，这个本质其实和I2C无关，主要是由于设置开漏模式导致的。

这里在输出的时候就是和前面讲GPIO开漏输出是一样的，只是采用复用的方式。主要是对于输入大家可能有些疑问。这里输出后，其实在接收方，可以认为是导线直接连接，类似浮空输入，对输入进行整形，后复用。这里主要是可以感知到这个变化，如果需要就可以直接使用。

时钟与数据

那么时钟与数据是怎么配合协同工作的呢？

这里规定，只有在时钟处于低电平期间，才可以作数据的跳变。在高电平期间会对数据进行读取。为了达到这个要求，也就要求数据的稳定时间要高于时钟高电平稳定时间，低电平。

线与（Wried-AND）

我们刚才只在单个通信的角度看待I2C，现在我们在全局来看I2C

当有任何一个设备拉低SCL/SDA的时候，整条线都会接地。这个和逻辑与或者按位与是有点相似之处的。

线与的好处

时钟同步：比如主设发送数据过快，从设备来不及处理，就可以拉低SCL，来告诉主设备。这时主设备拉高电平也没有作用，知直到从设备释放SCL，才会继续发送。

总线仲裁：当有多台主设备竞争总线，如果自己发送1，由于其他设备发送0，会拉低总线，那么它就知道自己仲裁失败了。

为什么选择开漏

首先为什么推挽模式不可以：其一是因为当主设备输出1，然后从设备拉低电压，会造成短路，还有就是无法实现线与逻辑。而这两个问题正是开漏模式可以解决的。

I2C协议

①为空闲状态，空闲状态默认为高电平。②为开始状态，我们前面说只有在SCL为低电平SDA才可以跳变来改变数据，这里在SCL为高电平时SDA进行了跳变，表示开始。③为结束状态，同样在SCL为高电平的时候，SDA进行了从低向高的跳变，恢复空闲状态。

Master发送从设备地址

在I2C中，一般由主设备产生时钟信号，也由主设备选定从设备。在最开始，会发送从设备的地址，发送后，如果从设备接收，会返回一个ACK，而没有匹配上的从设备不做任何回应。而这个地址一般为七位地址加一位读写位构成。

Master写数据

开始位->发送地址和写->接收方应答->发送数据->接收方应答->...->停止

Master读数据

开始位->发送地址和读->接收方应答->接收方发送数据->主机应答->...->收方发送数据->主机不应答->停止

这里最后一个为什么是NACK，因为在写的时候，主机是知道自己要写多少，写完就结束，但是在读的时候，从机并不知道你要读多少，所以需要主机去进行控制。它在最后一个字节到达后不进行确认，从机就不会在发送数据了。

I2C功能结构图

将其简化，整合到全局

首先，比较器是用来进行地址匹配的。然后控制逻辑电路输出时钟控制信息，数据控制包含移位寄存器和数据寄存器，数据通过APB1来从DR寄存器读取数据。不过这里的发送和USART不同，是MSB其余基本保持不变。

这里和前面还是一样，控制I2C其实就是控制它下面的寄存器。

DR寄存器用于存储数据，在发送的过程中如果TxE为表示不能写入，1表示可以写入。在接收过程中，RxNE为0表示不能读取数据，为1表示可以读取数据。

实战与源码

我们这里使用AT24C02来作从设备，我们要实现的是由USART来控制上位机，当写入的时候，把配置信息存到AT24C02当中。

AT24C02在读取当作一个一维数组来读取即可，但是在写入的时候不能跨页写入，会造成回卷。

我们整体的架构分为硬件，HAL库，板级驱动，控制逻辑，调用逻辑。

我们创建两个组，一个APP用于控制逻辑，BSP_Drivers为板级驱动，HAL库和调用逻辑（main）生成中是带好的。整体逻辑为，HAL库控制寄存器来控制硬件，板级驱动调用HAL库实现各自功能，控制逻辑通过调用板级驱动相关函数实现具体项目功能，最后main函数调用控制逻辑。

源码解析

初始化

这里和USART一样，也是使用了句柄。

cpp 复制代码

void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* hi2c)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(hi2c->Instance==I2C2)
  {
    /* USER CODE BEGIN I2C2_MspInit 0 */

    /* USER CODE END I2C2_MspInit 0 */

    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    /**I2C2 GPIO Configuration
    PB10     ------> I2C2_SCL
    PB11     ------> I2C2_SDA
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    /* Peripheral clock enable */
    __HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE();
    /* USER CODE BEGIN I2C2_MspInit 1 */

    /* USER CODE END I2C2_MspInit 1 */

  }

}

首先，开启GPIO时钟，初始化GPIO，随后打开I2C2的时钟。

随后先关闭I2C的使能，进行配置，这里不是时钟配置，这里是设备自己的配置。随后配置寄存器信息，最后打开设备使能。

HAL_I2C_IsDeviceReady

cpp 复制代码

      tmp1 = __HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_ADDR);
      tmp2 = __HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_AF);
      while ((hi2c->State != HAL_I2C_STATE_TIMEOUT) && (tmp1 == RESET) && (tmp2 == RESET))
      {
        if (((HAL_GetTick() - tickstart) > Timeout) || (Timeout == 0U))
        {
          hi2c->State = HAL_I2C_STATE_TIMEOUT;
        }
        tmp1 = __HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_ADDR);
        tmp2 = __HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_AF);
      }

这里主要来判断，有没有收到正确的应答。这两位互斥不可能全为1或全为0，ADDR为1表示成功，ADDR为0表示失败，AF则相反。随后循环尝试设定次数。

cpp 复制代码

  if (hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY)
  {
    /* Wait until BUSY flag is reset */
    if (I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK)
    {
      return HAL_BUSY;
    }

这里是检查设备状态是否就绪。

HAL_I2C_Mem_Write

写操作其实和检查状态类似，只不过后面要在加要写入的数据。

cpp 复制代码

 while (hi2c->XferSize > 0U)
    {
      /* Wait until TXE flag is set */
      if (I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK)
      {
        if (hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF)
        {
          /* Generate Stop */
          SET_BIT(hi2c->Instance->CR1, I2C_CR1_STOP);
        }
        return HAL_ERROR;
      }

      /* Write data to DR */
      hi2c->Instance->DR = *hi2c->pBuffPtr;

      /* Increment Buffer pointer */
      hi2c->pBuffPtr++;

      /* Update counter */
      hi2c->XferSize--;
      hi2c->XferCount--;

      if ((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET) && (hi2c->XferSize != 0U))
      {
        /* Write data to DR */
        hi2c->Instance->DR = *hi2c->pBuffPtr;

        /* Increment Buffer pointer */
        hi2c->pBuffPtr++;

        /* Update counter */
        hi2c->XferSize--;
        hi2c->XferCount--;
      }
    }

最下面连写入两次，相当于双缓冲区。主要靠TxE判断数据寄存器是否为空。

HAL_I2C_Mem_Read

读这里比较麻烦，做了很多的分类，包括为回复NACK专门设置标志位。本质都是为了实现最后一个回复是NACK。