本章参考资料：《STM32F76xxx参考手册》、《STM32F7xx规格书》、库帮助文档《STM32F779xx_User_Manual.chm》及《I2C总线协议》。
若对I2C通讯协议不了解，可先阅读《I2C总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS，可阅读《smbus20》文档。
关于EEPROM存储器，请参考“常用存储器介绍”章节，实验中的EEPROM，请参考其规格书《AT24C02》来了解。
23.1 I2C协议简介
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。
23.1.1 I2C物理层
I2C通讯设备之间的常用连接方式见图 23 -1。
它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
(2) 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达1Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。
1.1.2 协议层
I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
1. I2C基本读写过程
先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 23- 2、图 23 -3及图 23- 4。
图 23-2 主机写数据到从机
图 23- 3 主机由从机中读数
图例： 数据由主机传输至从机 S ： 传输开始信号
SLAVE_ADDRESS: 从机地址
数据由从机传输至主机 R/W(——)： 传输方向选择位，1为读，0为写
A/A(——) ： 应答(ACK)或非应答(NACK)信号
P ： 停止传输信号
这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。
其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。
起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播 的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是7位或10位。
在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。
从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。
若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
1. 通讯的起始和停止信号
前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 23 -5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
2. 数据有效性
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图 23 6。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
3. 地址及数据方向
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W(——))，第8位或第11位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 23 -7。
读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。
4. 响应
I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 23 -8。
传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。
23.2 STM32的I2C特性及架构
如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)，就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它，不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。
由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。
相对地，还有“硬件协议”方式，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。
23.2.1 STM32的I2C外设简介
STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持标准速度模式（高达100Kbit/s）、快速模式（高达400Kbit/s）、超快速模式（高达1Mbit/s），支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的I2C外设还支持SMBus2.0协议，SMBus协议与I2C类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus2.0》文档了解。
23.2.2 STM32的I2C架构剖
图 23 -9 I2C架构图
1. 通讯引脚
I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。STM32芯片有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 23 1。关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F7xx规格书》，以它为准。
表 23 1 STM32F7xx的I2C引脚(整理自《STM32F7xx规格书》)
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引脚 |
I2C编号 |
|||
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I2C1 |
I2C2 |
I2C3 |
I2C4 |
|
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SCL |
PB6/PB8 |
PH4/PF1/PB10 |
PH7/PA8 |
PD12/PF14/PH11 |
|
SDA |
PB7/PB9 |
PH5/PF0/PB11 |
PH8/PC9 |
PD13/PF15/PH12 |
2. 噪声滤波器
模拟噪声滤波器，集成于SDA和SCL的输入上，默认情况下是打开的，该模拟滤波器符合I2C规范，此规范要求在快速模式和超快速模式下对脉宽50ns以下的脉冲都要抑制。可以空过将寄存器I2C_CR1的ANFOFF位置1，注意该位只能在I2C禁止时（PE=0）时编程。
数字噪声滤波器，从框图可以看出它是SDA和SCL经过模拟噪声滤波器再进来的，通过配置 I2C_CR1 寄存器中的 DNF[3:0] 位来使能数字滤波器使能数字滤波器，数字滤波器可滤除脉宽 DNF[3:0] *以下的尖峰，可滤除的噪声尖峰脉宽从 1 到 15 个 I2CCLK 周期可编程。如果模拟滤波器已使能，数字滤波将叠加在模拟滤波之上。
3. 时钟源及要求
I2C 的时钟由独立时钟源提供，这使得 I2C 能够独立于 PCLK 频率工作。该独立时钟源可从以下三种时钟源中任选其一：
q PCLK1：APB1时钟（默认值）
q HIS：高速内部振荡器
q SYSCLK：系统时钟。
I2C 内核的时钟由 I2CCLK 提供。I2CCLK 周期 必须遵循以下条件：
4. I2C时钟控制
使用I2C必须配置时序，以便保证主模式和从模式下使用正确的数据保持和建立时间。通过设置 I2C_TIMINGR 寄存器中的 SCLH 和 SCLL 位来配置 I2C 主时钟。具体是指 I2C_TIMINGR 寄存器中的 PRESC[3:0]、 SCLDEL[3:0] 和 SDADEL[3:0] 位。ST已经专用做了一款工具来计算I2C_TIMINGR 寄存器的值，可以在我们参考工具文件夹找到。例如我们要产生标准的100KHz的I2C主设备时序，在序号1的框中依次填入Device Mode Master：Master，I2C Speed Mode:Standard Mode，I2C Speed Frequency(KHz)：100，I2C Clock Source Frequency(KHz)：54000，Analog Filter Delay：ON，Coefficient of Digital Filt：0，Rise Time(ns)：100，Fall Time(ns)：10，最后在右侧序号2的框中找到Run按钮即可生成TIMINGR 寄存器的值：0x60201E2B，双击即可复制，最后粘贴在MDK的I2C初始化源码中就可以完成初始化。这样非常方便，避免头痛的计算。
图 23 -10 I2C时序计算工具
下面我们来讲解初始化I2C时钟的计算方法，为了支持多主环境和从时钟延长， I2C 实现了时钟同步机制。为了实现时钟同步，需执行以下操作：
使用 SCLL 计数器从 SCL 低电平内部检测开始对时钟的低电平进行计数。
使用 SCLH 计数器从 SCL 高电平内部检测开始对时钟的高电平进行计数。
5. 数据控制逻辑
I2C的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE计算器运算，运算结果存储在“PEC寄存器”中。当STM32的I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C设备地址，两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。
6. 整体控制逻辑
整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。
23.2.3 通讯过程
使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
1. 主发送器
见图 23- 11。图中的是“主发送器”流程，即作为I2C通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。
主发送器发送流程及事件说明如下：
(1) 控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”及“EV8”，这时SR1寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置1，ADDR 为1表示地址已经发送，TXE为1表示数据寄存器为空；
(3) 以上步骤正常执行并对ADDR位清零后，我们往I2C的“数据寄存器DR”写入要发送的数据，这时TXE位会被重置0，表示数据寄存器非空，I2C外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV8”事件，即TXE位被置1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；
(4) 当我们发送数据完成后，控制I2C设备产生一个停止信号(P)，这个时候会产生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都被置1，表示通讯结束。
假如我们使能了I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来了解是哪一个事件。
2. 主接收器
再来分析主接收器过程，即作为I2C通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图 23 -12。
图 23 -12 主接收器过程
主接收器接收流程及事件说明如下：
(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”这时SR1寄存器的“ADDR”位被置1，表示地址已经发送。
(3) 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV7”事件，SR1寄存器的RXNE被置1，表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)，若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；
(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。
在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用STM32 HAL库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。
23.3 I2C初始化结构体详解
跟其它外设一样，STM32 HAL库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f7xx_hal_i2c.h”及“stm32f7xx_hal_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对I2C外设运用自如了，见代码清单 23 1-。
1 typedef struct {
2 uint32_t Timing;
3 /*指定I2C_TIMINGR寄存器的值，可以通过I2C_TIMING_CONFIGURARION工具计算*/
4
5 uint32_t OwnAddress1; /*指定自身的I2C设备地址1，可以是 7-bit或者10-bit*/
6
7 uint32_t AddressingMode; /*指定地址的长度模式，可以是7bit模式或者10bit模式 */
8
9 uint32_t DualAddressMode; /*设置双地址模式 */
10
11 uint32_t OwnAddress2; /*指定自身的I2C设备地址2，只能是 7-bit */
12
13 uint32_t OwnAddress2Masks; /*指定当双地址模式时的掩码 */
14
15 uint32_t GeneralCallMode; /*指定广播呼叫模式 */
16
17 uint32_t NoStretchMode; /*指定禁止时钟延长模式*/
18
19 } I2C_InitTypeDef;
这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL库中定义的宏：
(1) Timing
本成员设置的是I2C的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值写入到I2C的时钟控制寄存器CCR。这个数值的计算上一节已经说明。
(2) OwnAddress1
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址1，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位或10位(受下面(3) AddressingMode成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用DualAddressMode成员使能，然后设置OwnAddress2成员即可，OAR2不支持10位地址。
(3) AddressingMode
本成员选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到OwnAddress1成员，只有这里设置成10位模式时， OwnAddress1才支持10位地址。
(4) DualAddressMode
本成员配置的是STM32的I2C设备自己的地址，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位或10位(受下面I2C_AcknowledgeAddress成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置，OAR2不支持10位地址。
(5) OwnAddress2
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址2，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
(6) OwnAddress2Masks
本成员指定I2C的双地址模式时的掩码。
(7) GeneralCallMode
本成员是关于I2C从模式时的广播呼叫模式设置。
(8) NoStretchMode
本成员是关于I2C禁止时钟延长模式设置，用于在从模式下禁止时钟延长。它在主模式下必须保持关闭。
配置完这些结构体成员值，调用库函数HAL_I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。
23.4 I2C—读写EEPROM实验
EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM芯片最常用的通讯方式就是I2C协议，本小节以
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