I2C通信
I2C就是IIC或者I2C，全称Inter-Integrated Circuit，内部集成电路总线，是飞利浦公司在上世纪八十年代初开发的一种同步的串行通信总线。 与SPI相比，它的接线形式更简单，只需要两根信号线就可以实现数据的双向传送。 它被广泛地应用在EEPROM这样的存储设备上，近年来在四轴无人机上也有广泛的应用，比如说MPU6050这样的IMU传感器。
I2C是一种同步的通信机制，两根信号线一根用于时钟信号，另一根则用于数据传送。根据时钟信号的来源，I2C的通信设备分为主从两种模式。 每次通信都是由主设备发起，并产生时钟信号用于主从设备之间的数据同步，在通信结束后，主设备需要停止产生时钟。I2C总线上允许连接多个设备， 与SPI的片选信号不同的是，它采用寻址的方式选定从设备通信。
I2C设备有主从之分，STM32的设计应该可以同时工作在主从两种模式下。本文只阐述主模式下的工作方式和实现，从模式留待以后实现。 网上很多人都说STM32的I2C有点问题，所以都是用GPIO模拟的。我以前也是这样做的，但最近在想，都这么久了意法半导体应该做了一些改进吧。 于是又用硬件的I2C试了一下，发现没什么毛病。
1. 物理层连接和数据层逻辑
如下图1所示，I2C的物理连接只需要SCL和SDA两根信号线。其中SCL为同步时钟信号，由主设备驱动；SDA为数据信号，其信号是双向的。通信时， 由主设备驱动时钟信号，主从设备根据时钟信号和通信内容，控制SDA信号线，同一时间SDA只由一种设备控制。
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| 图1 I2C物理连接 |
主设备通过保持SCL为高电平信号，同时控制SDA信号产生一个下降沿，来产生一个起始信号(START)到总线上，标志着一次通信的开始，如下图2所示。 此时总线处于被占用的状态，当主设备产生一个结束信号(STOP)到总线上时，总线被释放。结束信号则是在保持SCL为高电平信号时，控制SDA产生一个上升沿。 如果主设备在产生结束信号之前，重复发送了多个起始信号，则认为总线一直被占用。
I2C的通信是以字节为单位进行的，先发送高位后发送低位，每一位的数据发送都是在SCL处于高电平信号时进行的。I2C的通信协议中规定， 每个字节传送完毕后，必须由数据的接收方产生一个ACK信号到总线上。所谓的ACK信号，就是接受方保持SDA为低电平信号，直到第9个时钟结束。 I2C并没有限定一次通信的字节数，因此在一个字节发送完毕，产生ACK信号之后，数据的发送方可以继续发送下一个字节的数据， 直到主设备产生停止信号释放总线，才标志着一次通信的结束。
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| 图2 I2C传送一个字节的时序图 |
如果从设备忙，或者接收方不能及时响应，它们可以把SCL信号线拉低，强制主设备进入等待状态。 这样设计挺好，可以支持流控制，当从设备或者接收方空闲后，就可以释放SCL信号线。但实际的实现有可能导致总线死锁，进而出现各种各样莫名的问题。 貌似，一直以来被人们诟病的STM32的I2C实现就是这个毛病（具体什么原因，没有仔细研究过），所以很多人都是通过GPIO来用软件实现的I2C通信时序。 现在STM32好像修复了这个BUG，直接用硬件实现也没什么毛病。
I2C总线支持同时连接多个设备，具体与哪个设备通信，由通信地址决定。下图3中描述了一次I2C通信的过程，主设备产生开始信号之后， 将发送一个7位的地址(ADDRESS)和一位读写(R/W)信号到SDA信号线上。每个I2C设备都有一个地址，当监听到总线上的地址与自己本地的地址匹配时， 就建立起了连接。以后都是与这一从设备进行的通信。读写信号标识了本次通信是向目标设备中写入数据，还是从中读取数据。 低电平为写信号，高电平为读信号。
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| 图3 I2C通信过程 |
一般情况下，在地址和读写信号之后，还应当在发送一个字节，标志着对从设备具体哪个寄存器上的数据进行的操作，再然后才是具体的数据。 这里关于寄存器需要做些解释。在MPU6050这样的设备是有寄存器的概念的，不同的寄存器有不同的意义。EEPROM虽然没有明确的寄存器概念， 但我们也是通过寻址的方式，指定数据的存储位置的。有时我们可能会自己实现一个I2C设备，可能压根儿不存在寄存器的概念， 我们只要保证数据的发送和接收满足上面所讲的协议就好了，不一定非要整个寄存器的机制出来。只是这样一来，我们就必须特别的做出一些约定。
2. STM32的I2C
如左图所示，为STM32的I2C外设模块结构图。它对外有三个引脚SCL、SDA和SMBA，其中SCL和SDA分别是I2C总线的时钟和数据信号线， SMBA则是一种基于I2C总线协议的SMBus(System Management Bus)的Alert引脚。这里我们不研究SMBus是个什么鬼。
有两个控制寄存器CR1和CR2用于控制逻辑，通过它们可以触发起始和停止信号，做出ACK响应，配置外设时钟频率，开启DMA和中断的功能。 同时控制逻辑的状态会反馈到SR1和SR2两个状态寄存器上，根据它们可以知道当前总线是否被占用，本机是主设备还是从设备， 数据是否发送完毕等。
STM32专门提供了一个时钟控制器(Clock Control)用于驱动同步时钟信号线SCL。通过配置CCR寄存器，我们可以调整SCL的频率。 还有一个与SCL有关的寄存器TRISE，它并没有体现在这个结构图中。它定义了通信过程中时钟信号上升沿的最大时间。
数据的收发主要涉及到数据寄存器(Data Register, DR)和数据移位寄存器(Data Shift Register, DSR)，其中DSR是不能够直接访问的。
当我们需要发送数据时，把要发送的字节写入DR寄存器。硬件会判定DSR寄存器是否为空，把DR中的字节搬到DSR中。 然后在时钟信号的控制下，把DSR最高位的数据放到数据线SDA上，并对DSR进行移位操作。当8位数据通过移位操作发送完毕之后， 如果通信没有结束，将再次从DR中搬一个字节到DSR中，继续发送数据。
当设备工作在接收机状态下时，数据控制器(Data Control)根据时钟信号，把SDA线上的高低电平转换为‘1’‘0’数据，写到DSR的最低位。 同时DSR左移位，当接收完一个字节的8位数据后，把DSR中的数据搬到DR寄存器中。我们再从DR寄存器中把数据读出来， 模块会产生一个ACK信号到总线上。
在STM32中，I2C模块可以工作主从两种模式下。模块有两个地址寄存器，通过与DSR寄存器中接收的数据对比，来监听总线上的地址信号。 如果能够匹配上，则建立起一个连接与主设备进行通信。
3. I2C通信的实现
3.1 初始化过程
在使用I2C外设之前，需要先对它进行初始化操作。主要涉及三个方面的工作：(1)打开外设相关的时钟, (2)对外设涉及的引脚进行配置, (3)修改外设的寄存器配置外设的工作方式。整个过程如函数i2c1_init()的实现：
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我们在函数i2c_init()中对外设I2C1进行初始化配置。首先在3~6行重置外设，使得外设的各种控制器恢复到初始状态，放置异常的状态导致总线死锁。 接着我们在第8行，设置CR2寄存器设定I2C的工作频率为42MHz。然后在10~13行设置TRISE和CCR寄存器，配置同步时钟信号线的频率和上升沿时间， 因为对这两寄存器的改写必须保证外设关闭，所以在10行中先关闭外设，再在第13行中打开。我们配置CR1寄存器，使得外设在接收到数据后能够返回一个ACK信号。 最后在第16行，我们随意指定了本地的地址为0xC0。
关于初始化过程，我们需要强调的一个地方是，第12行对CCR的配置。在STM32中，I2C有标准和快速两种工作方式，标准模式总线上的时钟频率小于100KHz， 快速的的为400KHz，这点通过配置CCR寄存器来实现。CCR寄存器中有三个字段F/S、DUTY和CCR。F/S设定了外设的工作模式，对应CCR寄存器的第16位，为1表示快速模式。 DUTY则定义了时钟信号的占空比，所谓的占空比就是指一个时钟周期中高电平的时间比例，这里的配置是低电平的时间时高电平时间的两倍。 CCR则定义了SCL的频率，具体计算公式参考手册，这里不再细讲。
3.2 读写操作
下面的函数i2c_read_bytes()实现了从外设中读取一段数据的操作。它由5个参数，i2c是一个指向外设寄存器的指针，可以的取值为I2C1，I2C2和I2C3。 addr则是目标从设备的地址。reg描述了访问外设的寄存器地址，len则描述了欲读取的字节数，buf则指向了一篇缓存用于存放读取的数据。
函数的工作流程在程序中的注释已经写得比较清楚了，这里就不在赘述。
void i2c_read_bytes(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg, uint8 len, uint8 *buf) {
// 总线空闲
while (1 == i2c->SR2.bits.BUSY);
// 产生START,进入Master模式
i2c->CR1.bits.START = 1;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
// 发送7位地址, 发送模式
i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_TX;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR_TXE_TRA));
// 发送寄存器地址
i2c->DR = reg;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
// 重新产生起始位, 进入Master Receiver模式
i2c->CR1.bits.START = 1;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_RX;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR));
// 依次接收字节,每次接收都需要返回一个ACK
i2c->CR1.bits.ACK = 1;
while (len > 1) {
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_RXNE));
buf[0] = i2c->DR;
buf++; len--;
}
// 读最后一个字节,所以返回NACK
i2c->CR1.bits.ACK = 0;
i2c->CR1.bits.STOP = 1;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_RXNE));
buf[0] = i2c->DR;
i2c->CR1.bits.ACK = 1;
}
类似的，我们定义了函数i2c_write_bytes()用于向外设发送一堆数据。它也有5个参数，定义与读操作的参数一样， 只是最后一个参数buf指引的是要发送数据的缓存。因为不希望在函数中对原来的数据做出修改，所以加上了const修饰符。
void i2c_write_bytes(i2c_regs_t *i2c, uint8 addr, uint8 reg, uint8 len, const uint8 *buf) {
// 总线空闲
while (1 == i2c->SR2.bits.BUSY);
// 产生START,进入Master模式
i2c->CR1.bits.START = 1;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_SB));
// 发送7位地址, 发送模式
i2c->DR = (addr << 1) | I2C_DIRECTION_TX;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_ADDR_TXE_TRA));
// 发送寄存器地址
i2c->DR = reg;
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
// 发送数据
while (len--) {
i2c->DR = buf[0];
while (TRUE != i2c_check_status(i2c, I2C_STA_BUSY_MSL_TXE_TRA_BTF));
buf++;
}
i2c->CR1.bits.STOP = 1;
}
另外，为了使用方便，我们还定义了i2c_read_byte()和i2c_write_byte()两个函数用于读取和发送一个字节的操作。 这两个函数都只是对上述两个函数的一个封装而已。
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3.3 硬件I2C驱动MPU6050
MPU6050是一个六轴的IMU传感器，集成了陀螺仪和加速度计，在无人机等智能设备中广泛的应用。这里简单的介绍通过I2C从MPU6050中读取数据， 详细的传感器使用参见一个四旋翼的飞控系统系列文章。
STM32F407的引脚PB8和PB9分别对应了I2C1的SCL和SDA，在探索者的开发板上它们挂载了一个MPU6050和一个24C02的EEPROM。
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在main函数中，我们先调用i2c1_init()对I2C1的外设进行初始化，然后就可以通过函数i2c_read_byte()从传感器中读取数据。 这里访问的传感器的0x75的寄存器，它描述了传感器的设备ID。
uint8 gtestdata;
int main(void) {
usart1_init(115200);
i2c1_init();
config_interruts();
Delay(168000000);
uint8 id = i2c_read_byte(I2C1, 0x68, 0x75);
usart1_send_bytes((uint8*)&id, 1);
while (1) { }
}
我们可以看到在系统复位一段时间后，就可以通过串口发送一个值为0x68的字节，它正是mpu6050的I2C地址。 详细参见源码。
4. 总结
STM32的I2C可以工作在主从两种模式下，具体由发送起始信号还是接收到匹配地址来决定。虽然人们一直在说STM32的I2C实现有些问题， 但经过我的测试发现，意法半导体好像现在已经给解决了，硬件实现也没什么毛病。