一、I2C協議簡介
I2C通訊協議 (Inter-Integrated Circuit，讀作I平方C、I方C) 是由Phiilps公司開發的，由於它引腳少，硬件實現簡單，可擴展性強，不需要USART、CAN等通訊協議的外部收發設備，現在被廣泛地使用在系統內多個集成電路間的通訊。
1. 物理層
（感謝野火的PPT，一部分內容參考了野火）如下圖所示即為I2C的物理層：
下面來簡要介紹物理層需要了解的知識點：
- 總線： 多個設備共用的信號線，有兩條：一條雙向串行數據線 (SDA)，一條串行時鍾線 (SCL)。
- 主機和從機： 總線上掛載着多個通訊主機和通訊從機，每個連接到總線的從機設備都有獨一無二的通訊地址，主機通過這些地址對從機設備進行訪問。一般來說，總線上掛載着五六個從機和一個主機就夠用了。
- 通訊： 當主機與從機正在進行通訊的時候，從機設備輸出低電平，將總線拉成低電平，其他設備輸出高阻態，不能參與通訊。
- 上拉電阻： 兩條總線均通過上拉電阻連接到電源。當所有從機設備空閑時，這些設備會輸出高阻態，由上拉電阻把總線拉成高電平，這些設備就相當於與總線斷開了。
如果不是用高阻態表示高電平而是用接地表示，那么當一個設備通訊時，這個設備接電源，整個總線通過上拉電阻也接了電源，其他未通訊設備接地，就把其它設備短路掉了。
- 仲裁： 當有多個設備想跟主機通訊時，為防止數據沖突，會采用仲裁的方式（類似DMA）決定由哪個設備占用總線。在通訊分點已經說明了一次通訊只能有一個主機和一個從機。
- 傳輸模式： 標准模式傳輸速率為 100kbit/s，快速模式為 400kbit/s，高速模式下可達 3.4Mbit/s，但目前大多I2C設備尚不支持高速模式，一般情況下快速模式就已經夠了。
- 注意： 連接到相同總線的 IC 數量受到總線的最大電容 400pF 限制。
2. 協議層
這個部分的內容相當重要，它是我們后面寫代碼的基礎。
（1）主機寫數據到從機
一個數據包的組成如下：
- 圖例： 條紋框：數據由主機傳輸到從機；白色框：數據由從機傳輸到主機。
- S（傳輸開始信號）： 主機向總線廣播，說，我要開始通訊了！至於向誰通訊呢？待會再說。
- SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的設備！I2C總線上的每個設備都有自己的獨立地址，主機發起通訊時，通過SDA信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機。設備地址可以是7位或10位。
- R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個設備寫入數據，R/W置為0，表示我要寫入！這個設備，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的數據。
- A（應答位）： 設備發送應答信號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以工作，你說！
- DATA（數據）： 主機說，那好我們開始吧！開始發送數據，一共n字節。發完以后，主機問，設備你收到了嗎？設備說，收到（ACK）！現在寫入數據，並發送一個應答信號給主機。如此往復，便實現了寫的過程。
- A（應答位）： 最后一次數據寫入后，設備說，夠了夠了，不要再寫了，並發送一個非應答信號（NACK，Not Acknowledged）給主機。
- P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴設備，我停止訪問了！於是設備重新拉回高阻態。
（2）主機由從機讀數據
一個數據包的組成如下：
- 圖例： 條紋框：數據由主機傳輸到從機；白色框：數據由從機傳輸到主機。
- S（傳輸開始信號）： 主機向總線廣播，說，我要開始通訊了！至於向誰通訊呢？待會再說。
- SLAVE_ADDRESS（從機地址）： 主機現在說，我要訪問這個地址所在的設備！這個地址是7位或10位長。
- R/W（讀寫位）： 接下來主機表示，我的訪問操作是向這個設備寫入數據，R/W置為1，表示我要讀數據！這個設備，你聽到了嗎？聽到請回答！因此實際上主機發送了一個位數為8或11的數據。
- A（應答位）： 設備發送應答信號（ACK，Acknowledged）給主機，表示，主機我收到了，我可以工作了！
- DATA（數據）： 設備接着開始發送數據給主機，一共n字節。發完以后，設備問，主機你收到了嗎？主機說，收到（ACK）！如此往復，便實現了讀的過程。
- A（應答位）： 最后一次讀數據后，主機說，我不想再讀了，並發送一個非應答信號（NACK，Not Acknowledged）給設備。
- P（停止位）： 主機發送一位停止位告訴設備，我停止訪問了！於是設備重新拉回高阻態。
（3）讀和寫交替進行
這個就是以上讀和寫的復合格式，關鍵在於主機的讀寫位，主機想要讀就用讀的格式，主機想要寫就用寫的格式。
（4）信號和時鍾的配合
通訊起始和停止
- 當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始。
- 當 SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。
- 起始和停止信號一般由主機產生。
數據有效性
SDA數據線在SCL的每個時鍾周期傳輸一位數據。
- 當SCL為高電平時，SDA表示的數據有效，即此時的SDA為穩定高電平時表示數據“1”，為穩定低電平時表示數據“0”。
- 當SCL為低電平時，SDA的數據無效，一般在這個時候SDA趁機（你可以這么理解）進行電平切換，為下一次表示數據做好准備。
響應
傳輸時主機產生時鍾，在第9個時鍾時，數據發送端會釋放SDA的控制權，由數據接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應答信號(NACK)，低電平表示應答信號(ACK)。
二、STM32中的I2C總線
首先聲明一下，STM32的硬件I2C是有缺陷的，因此我們基本都是用軟件模擬I2C！ 但是下面這些內容還是要了解一下，初學不必深入。
1. I2C框圖
本部分可參考STM32中文參考手冊第24章I2C接口。
下面將框圖分為四個部分做簡要介紹：
（1）通訊引腳
STM32芯片有兩個I2C外設，它們的I2C通訊信號引出到不同的GPIO引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳。
SCL、SDA引腳和編號對應關系如下（可參考電路原理圖）：
| 引腳 | I2C1 | I2C2 |
|---|---|---|
| SCL | PB5（默認）/PB8（重映射） | PB10 |
| SDA | PB6（默認）/PB9（重映射） | PB11 |
需要注意的是：在 SMBus 模式下， SMBALERT 是可選信號。如果禁止了 SMBus ，則不能使用該信號。
SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 是1995年由Intel提出的，應用於移動PC和桌面PC系統中的低速率通訊。希望通過一條廉價並且功能強大的總線（由兩條線組成），來控制主板上的設備並收集相應的信息。SMBus 為系統和電源管理這樣的任務提供了一條控制總線，使用 SMBus 的系統，設備之間發送和接收消息都是通過 SMBus，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節省設備的管腳數。
（2）時鍾控制邏輯
本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.8時鍾控制寄存器(I2C_CCR)。
I2C時鍾是由時鍾控制寄存器控制的。寄存器位15可設置標准模式或快速模式，位14可設置快速模式下的占空比（THIGH/TLOW）。位11-0設置SCL時鍾的配置因子CCR。CCR的計算過程了解即可（PCLK1 = APB1，默認36MHz）：
（3）數據控制邏輯
SDA信號主要連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的數據
來源及目標是數據寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA數據線。（感覺與USART工作原理比較類似，也是一位一位的發送、接收。）
（4）整體控制邏輯
本部分可參考STM32中文參考手冊24.6.1 控制寄存器 1(I2C_CR1)和24.6.2 控制寄存器 2(I2C_CR2)以及24.6.6 狀態寄存器 1(I2C_SR1)和24.6.7 狀態寄存器 2 (I2C_SR2)。
整體控制邏輯負責協調整個I2C外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的控制寄存器(CR1/CR2)的參數而改變。在外設工作時，控制邏輯會根據外設的工作狀態修改狀態寄存器(SR1
和SR2)，只要讀取這些寄存器相關的寄存器位，就可以了解I2C的工作狀態。需要注意的寄存器幾個位：
CR1寄存器：位10（ACK）、位9（STOP）、位8（START）。
SR1寄存器：位7（TxE：數據寄存器為空(發送時) (Data register empty (transmitters)) ）、位6（RxNE：數據寄存器非空(接收時) (Data register not empty (receivers)) ）、位1（ADDR：地址已被發送(主模式)/地址匹配(從模式) (Address sent (master mode)/matched
(slave mode))）、位0（SB：起始位(主模式) (Start bit (Master mode)) ）。
SR2寄存器：位2（TRA：發送/接收 (Transmitter/receiver) ）、位1（BUSY：總線忙 (Bus busy)）。
2. STM32的I2C通訊過程
本部分可參考STM32中文參考手冊24.3.3 I2C主模式，同時文字內容借鑒了野火PPT。本部分比較重要，也是我們寫I2C代碼的基礎。
（1）主發送器通訊過程
如圖所示，上面一行是控制寄存器要發送接收的內容，下面一行是狀態寄存器標志的內容，庫函數就是通過檢測這些狀態寄存器來判斷這些事件是否已完成。
- 當發生起始信號（S）后，產生事件EV5，並會對SR1寄存器的SB位置1，表示起始信號已經發送。
- 發送設備地址並等待應答信號，若有從機應答，則產生事件EV6及EV8，這時SR1寄存器的ADDR位及TXE位置1，ADDR為1表示地址已經發送，TXE為1表示數據寄存器為空。
- 往DR寄存器寫入要發送的數據，這時SR1寄存器的TXE位置0，表示數據寄存器非空，I2C外設通過SDA信號線一位位把數據發送出去后，又會產生EV8事件，即TXE位置1，重復這個過程，可以發送多個字節數據。
- 發送數據完成后，控制I2C設備產生一個停止信號（P），這個時候會產生EV2事件，SR1的TXE位及BTF位都置1，表示通訊結束。
（2）主接收器通訊過程
如圖所示，上面一行是控制寄存器要發送接收的內容，下面一行是狀態寄存器標志的內容，庫函數就是通過檢測這些狀態寄存器來判斷這些事件是否已完成。
- 起始信號(S)是由主機端產生的，控制發生起始信號后，產生事件EV5，並會對SR1寄存器的SB位置1，表示起始信號已經發送。
- 發送設備地址並等待應答信號，若有從機應答，則產生事件EV6，這時SR1寄存器的ADDR位置1，表示地址已經發送。
- 從機端接收到地址后，開始向主機端發送數據。當主機接收到這些數據后，會產生EV7事件，SR1寄存器的RXNE置1，表示接收數據寄存器非空，讀取該寄存器后，可對數據寄存器清空，以便接收下一次數據。此時可以控制I2C發送應答信號(ACK)或非應答信號(NACK)，若應答，則重復以上步驟接收數據，若非應答，則停止傳輸。
- 發送非應答信號后，產生停止信號(P)，結束傳輸。
3. I2C的結構體定義和庫函數
位於頭文件stm32f10x_i2c.h，結構體定義如下：
typedef struct
{
uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 設置SCL時鍾頻率*/
uint16_t I2C_Mode; /*!< 設置工作模式*/
uint16_t I2C_DutyCycle; /*!< 設置時鍾占空比*/
uint16_t I2C_OwnAddress1; /*!< 指定自身I2C設備地址 */
uint16_t I2C_Ack; /*!< 響應使能或關閉響應使能*/
uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!< 指定地址長度（7或10位）*/
}I2C_InitTypeDef;
這里着重說明一下I2C_OwnAddress1，這個是配置I2C設備自己的地址，對於STM32主機設備，可以不用關心這個地址位，但是如果是兩個MCU進行通訊的話，是必須要進行配置的。這個地址是7位還是10位，取決於I2C_AcknowledgedAddress，只有它設置為10位模式，I2C_OwnAddress1才能使用10位地址。
部分常用庫函數如下：
//初始化
void I2C_DeInit(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Init(I2C_TypeDef* I2Cx, I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_StructInit(I2C_InitTypeDef* I2C_InitStruct);
void I2C_Cmd(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
//產生起始條件、終止條件、使能應答、設置設備的第二個地址
void I2C_GenerateSTART(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_GenerateSTOP(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_AcknowledgeConfig(I2C_TypeDef* I2Cx, FunctionalState NewState);
void I2C_OwnAddress2Config(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address);
//發送數據、接收數據、發送地址、讀取I2C的寄存器
void I2C_SendData(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Data);
uint8_t I2C_ReceiveData(I2C_TypeDef* I2Cx);
void I2C_Send7bitAddress(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t Address, uint8_t I2C_Direction);
uint16_t I2C_ReadRegister(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t I2C_Register);
//清除標志位、獲得標志位（重要）、標志位中斷
void I2C_ClearFlag(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG);
ITStatus I2C_GetITStatus(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
void I2C_ClearITPendingBit(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_IT);
配置流程如下：
#ifndef __I2C_H
#define __I2C_H
#include "stm32f10x.h"
/****** 選擇使用：I2C1 ******/
/****** 宏定義區 ******/
#define I2C_CLK_SPEED 400000
/* STM32設備地址可隨意定義，只要與EEPROM地址不重合即可 */
#define STM32_ADDR 0x5F
#define EEPROM_ADDR 0xA0
#define SCL_PORT_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB
#define SDA_PORT_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB
#define I2Cx_CLK RCC_APB1Periph_I2C1
#define I2Cx I2C1
#define SCL_GPIO_PORT GPIOB
#define SDA_GPIO_PORT GPIOB
#define SCL_GPIO_PIN GPIO_Pin_6
#define SDA_GPIO_PIN GPIO_Pin_7
/****** 函數聲明區 ******/
void I2C_Config(void);
#endif /* __I2C_H */
/**
* @brief I2C初始化配置
* @param 無
* @retval 無
*/
void I2C_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
/* 開啟SCL和SDA時鍾 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(SCL_PORT_CLK | SDA_PORT_CLK, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(I2Cx_CLK, ENABLE);
/* 配置SCL對應的GPIO */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SCL_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* 配置SDA對應的GPIO */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SDA_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* 配置I2C */
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_CLK_SPEED;
I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = STM32_ADDR;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
I2C_Init(I2Cx, &I2C_InitStructure);
I2C_Cmd(I2Cx, ENABLE);
}
未完待續···