嵌入式学习笔记——I2C

一、IIC协议简介

IIC（I²C）是由飞利浦公司提出的一种串行通信协议，仅用两根线：

• SDA：串行数据线
• SCL：串行时钟线

它是一种半双工、多主机、主从通信协议，每个从设备都有唯一的地址。数据传输速度支持：

• 标准模式：100kbps
• 快速模式：400kbps
• 高速模式：3.4Mbps

---

二、IIC总线结构图

两条总线连接主从设备，SDA和SCL均需上拉电阻保持高电平（空闲状态）。

三、IIC通信流程详解

1. 空闲状态 : 双高空闲

SDA 和 SCL 都为高电平时为空闲状态。

2. 起始信号（START）: 时高数下开始

在 SCL 为高电平时，SDA 从高变低，表示通信开始。

3. 停止信号（STOP）: 时高数上结束

在 SCL 为高电平时，SDA 从低变高，表示通信结束。

4. 数据传输格式 : 时高数稳，时低数变

• 数据按字节（8位）发送
• 每个字节后跟一个应答位（ACK）
• 传输过程中，SDA 数据需在 SCL 高电平期间稳定
  当SCL为高电平时,便会获取SDA数据值,其中SDA数据必须是稳定的(若SDA不稳定就会变成起始/停止信号)。
  当SCL为低电平时,便是SDA的电平变化状态。
  若主从机在传输数据期间,需要完成其它功能(例如一个中断),可以主动拉低SCL,使I2C进入等待状态,直到处理结束再释放SCL,数据传输会继

5. 应答信号

I2C总线上的数据都是以8位数据(字节)进行的，当发送了8个数据后，发送方会在第9个时钟脉冲期间释放SDA数据，当接收方接收该字节成功，便会输出一个ACK应答信号，当SDA为高电平,表示为非应答信号NACK，当SDA为低电平，表示为有效应答信号AC

• ACK：SDA 被接收方拉低，表示接收成功
• NACK：SDA 保持高电平，表示接收失败或结束

---

四、写操作流程

1. 主机发送起始信号
2. 发送从机地址 + 写方向（最低位,第八位为0）
3. 等待从机应答ACK
4. 发送寄存器地址和数据
5. 每发送1字节都需从机应答
6. 最后发送停止信号

---

五、读操作流程

1. 主机发送起始信号
2. 发送从机地址 + 写方向（0）
3. 等待应答，发送寄存器地址
4. 发送重新开始信号（重复START）: 主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送),所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式，开始读取数据
5. 发送从机地址 + 读方向（1）
6. 接收数据，每接收一个字节主机需发送 ACK
7. 最后一个字节发 NACK + 停止信号

---

六、IIC代码（STM32）详解

1. 初始化函数

void I2C_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  // 开启GPIOB时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);   // 开启I2C1时钟

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; // SCL = PB6, SDA = PB7
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;        // 复用开漏输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                 // 初始化GPIOB

    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;             // I2C模式
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;     
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;              // 本机地址
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;            // 打开应答
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit; 
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;             // 100kHz速率

    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);  // 使能I2C
}

---

2. 写数据函数（主写从）

void I2C_SendData(uint8_t slaveAddress, uint8_t* pBuffer, uint16_t numByteToWrite)
{
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);  // 产生起始信号
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    I2C_Send7bitAddress(I2C1, slaveAddress, I2C_Direction_Transmitter); // 发地址+写方向
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    while (numByteToWrite--)
    {
        I2C_SendData(I2C1, *pBuffer++);  // 发送数据
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)); // 等待发送完成
    }

    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); // 发送停止信号
}

---

七、小结

名称	描述
SDA	数据线（双向）
SCL	时钟线（主机控制）
START	SDA下降沿 + SCL高，表示开始
STOP	SDA上升沿 + SCL高，表示结束
ACK/NACK	接收方对字节的响应

八、常见问题

• 为什么要加上拉电阻？
  因为SDA/SCL为开漏结构，无法主动输出高电平。
• 为什么要重复发送START？
  切换读写模式或设备地址时，需发START而不是STOP。