I2C

连接多个模块的传输方案：I2C，使用两根总线。

两根总线分别是时钟总线 SCL 和数据总线 SDA。

通信过程

现在我们串一遍I2C上一个模块（master）要给另一个模块（slave）发消息的过程。

1. MCU 使用一定的方法标识自己开始传输了。
2. MCU 发送 LCD slave 的地址+一位读写位，其他模块接收到发现地址不是自己的，就不做处理。
3. LCD 接收到后知道目标是自己，于是返回 ack。
4. MCU 收到 ACK 后发送一帧数据。
5. 发送完 MCU 等着 ACK，收到 ACK 后继续发送下一帧数据。
6. 一直发送到发送停止位 stop 结束。

数据长度可以设置，比如789.

总线上的器件是开漏输出的半双工通信。

默认总线是上拉电阻拉成高电平。

当器件输出 out 为低电平时，总线导通到接地，总线被拉低（整条总线都被拉低）。江协科技老师举的例子很好，就像公交车上的一根横杆，有人拉住横杆拽下来，整条横杆都被拉低了，其他人都知道“横杆被一个人拉低了，说明有人正在使用总线”。

然后是总线传输数据的方式，SCL SDA 两根总线在何种情况下表示 start stop 0 1 bit?

首先都是 SCL 为高电平时 SDA 的数值才有意义。

SDA 从高到低，表示 start 位。从低到高，表示 stop 位。

start 位后，SDA 高电平表示1，低电平表示0.

发送完 1byte 数据后，总线保持拉高状态。如果接收方把总线拉低了，发送方发现总线1→0了（不是发送方自己拉的，是接收方给他拉下来的，但是发送方能察觉到），说明接收方成功接收了并且拉了拉总线以示“收到”。如果 SDA 还是保持在高电平，说明接收方没有成功收到或者成功发送 ACK。

问题处理

I2C 是一种很简单的主从通信协议了，但是局限性也很多，比如7 bit 的地址线只允许 2^7 个设备；一次顶多两个设备主从通信；一个设备的快慢会影响到整条总线的通信等。

问题1：从设备处理速度太慢了，赶不及在下一个时钟周期接收新数据帧怎么办？

方法：clock stretching, 拉低一段时间 SCL 假装下一个时钟周期还没到。

问题2：多个设备同时发数据冲突了怎么办？

方法：Bus Aribitation，前面我们知道总线被一个设备拉低了，所有设备都能接收到总线拉低的信号。因此如果两个设备同时开始发信息，前面数据一致都无所谓，等到第一次数据不一致的时候，一个设备发送数据0，一个发送数据1，这时 SDA 总线被 DATA2 的0拉低了。

发送 DATA1 数据的设备就明白了：有人同时在和我一起发数据，因此总线不是我预期的1而是被他拉低为0了。那我 quit，你发吧。然后就只有 DATA2 发送的数据了。

问题3：以上发送的数据每次都是 1byte 8bits 很正好。那如果要发送的地址不是 8bits 呢？

方法：少于 8bits 用一些固定的额外的 start 位填充，多于 8bits 的地址用两个 bytes，不够的也是用额外的 start 位填充。

问题3：如果我 master 发完数据，想紧接着再收数据，变成 slave，可行吗？

方法：通过一个 sr 信号，也就是 repeat start 重发 start 位，来标识自己是 read 而不再是 write 了重新开始通信。

编址格式

slave 地址编址有一些固定格式。

0000 000 0：广播，对所有 slave 结点讲话。如果 slave 无视（NACK），就不会参与广播。如果返回 ACK 就参与进来了。不过多个 slave 都返回 ACK 的话 master 是不知道都有谁回应了的。

第二个 byte 发送一些行为相关，比如：start，clear，reset software

编程应用

slave mode:

• I2C 设备默认工作在 slave mode。
• 外设时钟在 I2C_CR2 寄存器中编程。频率介于 2kHz~100kHz。
• 硬件自动等待发过来的 start 和 addr 信息。
• 如果 addr 信息和 OAR1 中存储的地址相同，说明目标是自己。如果 ACK 位为1，则发送 ack pulse。
• 设置 ADDR 位，1表示匹配。
• 如果 ITEVFEN 就是中断事件 flag 为1，则生成中断。
• TRA 位标明 slave 是 R 还是 T 模式（收 or 发）。
• BTF 位标识收没收完。

这么说起来还是有点混乱 I2C 到底经历了哪些才顺利发送了数据？

首先，从主模式的概念。master 主模式驱动时钟信号，发起传输；slave 从模式响应传输。

主模式

发送：

所有 EV 事件都会拉低 SCL，直到相应软件序列执行完成。

S：start 事件。比如CR2 寄存器中设置外设时钟，配置时钟寄存器，上升时钟寄存器，使能 CR1 来启用时钟，CR1 中设置 start 位，等待总线被拉低表示就绪，发送启动信号，并切换为主模式。

EV5：启动事件成功进行，设置 SB 寄存器=1. SB 寄存器=1后才可以进行地址阶段，执行完地址阶段会自动清除 SB 和 EV5 事件。

Address：地址阶段。传输7位地址+1位读写位，然后等待从机的 ack。收到 ack 进入 EV6.

EV6：设置 addr 位=1代表地址阶段顺利执行， master 收到 ack了。清除 EV6 后自动进入 EV8.

EV8：设置 TxE ，准备写入主机要传入的数据。TxE 表示数据寄存器为空可以写入。每次数据写入 DR 都会清空 TxE 和 EV8 事件。写完数据数据传过去了，主机收到 ack 后继续传输。以 BTF=1 表示数据传输的结尾。

void i2c_write(uint8_t address, uint8_t *buffer, int buff_len) {
    
    
	int i = 0;
    // Send in sequence: Start bit, Contents of buffer 0..buff_len, Stop
    while (((I2C1->SR2>>1)&1)); // wait until I2C1 is not busy anymore
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE); // Send I2C1 START condition
    // wait for I2C1 EV5 --> Slave has acknowledged start condition
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    // Send slave Address for write then wait for EV6
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, address, I2C_Direction_Transmitter);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    while (i < buff_len){
    
    
        I2C_SendData(I2C1, buffer[i]); // send data then wait for EV8_2
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        i++;
    }
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); // send stop bit
}

接收：

前面和 master transmit 都一样。

TxE 改为 RxE 了，=1标识接收到了数据。

master 自己设置 stop 事件后（发送 NACK）停止接收。

void i2c_read(uint8_t address, uint8_t *buffer, int buff_len) {
    
    
    int i = 0;
    // Start bit, Contents of buffer from 0..buff_len, sending a NACK
    // for the last item and an ACK otherwise, Stop bit
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); //EV5
    // Send slave Address for write then wait for EV6
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, address, I2C_Direction_Receiver);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE); // going to send ACK
    while (i < buff_len - 1){
    
    
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)); //EV7
        buffer[i] = I2C_ReceiveData(I2C1); // get data byte
        i++;
    }
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE); // going to send NACK
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)); //EV7
    buffer[i] = I2C_ReceiveData(I2C1); // get the last byte
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); // send stop
}

从模式

发送：

start 启动事件由 master 发起。从机校验地址并决定是否发送 ack 位。

EV1：设置 addr 位表示地址匹配。

EV3-1：设置 TxE 位，开始传入数据。一直到主机返回 NACK 表示不想再要数据了，或者 AF=1 说明 ack 失败了为止。

接收：

前面到 EV1 和 slave transmit 都一样。

1. 数据从 DR 寄存器中读。
2. 读入一个 byte 后，如果 ack 位已经设置，则返回 ack 信息。
3. RxE 位是接收数据的状态寄存器。
4. 主机生成停止条件时停止。

异常情况：

总线错误，NACK，仲裁失败，时钟异常超时。