作者：junziyang

（註：如非特別聲明，以下筆記內容均針對STM32F103ZET6而言。不同型號，細節可能存在差別。）

一、I2C接口簡介

I2C是Inter-Integrated Circuit的簡稱，也簡寫為IIC。顧名思義，這是一種集成電路之間通信的總線協議或接口。具體到STM32中，I2C是連通微控制器與串行I2C總線之間的接口。I2C總線協議是由Philips公司開發的，它隻需要2根線（1根數據線SAD、1根時鐘線SCL）即可與連接到總線上的器件之間實現雙向同步串行通信。I2C總線接口集成在芯片內部，不需要特殊的接口電路，而且總線接口帶有模擬濾波器，可濾掉總線數據上的毛刺，有利於簡化硬件電路的PCB佈線，降低系統成本，提高系統可靠性。

I2C是一種非常靈活的多主機總線：如果兩個或以上主機同時發起數據傳輸，利用其沖突檢測和仲裁功能，可以防止數據被破壞；連接到總線上的IC器件都有唯一的地址，數據傳輸和地址設置均由軟件控制；每個器件都可以作為主機，也可以作為從機，但同一時刻隻能有一個主機；總線上的器件增刪，不影響其他器件的正常工作。

STM32中的I2C支持兩種速度模式：標準模式（Sm，高達100kHz）和快速模式（Fm，高達400kHz）。I2C可用於多種目的，包括CRC生成和校驗，系統控制總線SMBus（System Management Buss）和電源管理總線PMBus（Power Management Bus）管理等。有的MCU中還為I2C配備了DMA功能，以減輕數據傳輸過程中CPU的負擔。

除了用於收發數據，I2C接口還可在串行和並行數據傳輸間進行直接切換。相關中斷可以由軟件進行開關。

二、I2C工作原理

I2C相關的寄存器共有9個，功能位與復位值表如圖1所示。I2C的功能就是通過配置這些寄存器來實現的。學習過程中參照這個表，有利於對所述內容的理解。

圖1. I2C寄存器與復位值表

2.1 原理框圖

I2C的原理框圖如圖2所示。可以看到，其內部包含了兩個相對獨立的模塊：數據處理模塊和邏輯控制模塊。通過左側的3個引腳與外界交互，SDA是數據引腳，SCL是時鐘引腳，SMBA是一個可選的信號引腳。

圖2. I2C接口原理框圖

2.2 I2C工作模式

I2C接口支持如下4種模式：

• 從發送器模式
• 從接收器模式
• 主發送器模式
• 主接收器模式

默認處於從模式，收到起始條件時切換為主模式，出現仲裁丟失或產生STOP時，切換回從模式。I2C支持多主機模式。

通信流程說明如下：

處於主模式的I2C接口負責發起數據傳輸並產生時鐘信號。I2C為串行通信，必須以“起始條件”（START condition）開始，以“停止條件”（STOP condition）結束。所謂起始條件和終止條件，是SDA和SCL線上的一組電平信號。如圖3所示，

圖3. I2C協議時序圖

• 起始條件：SCL高電平期間，SDA由高電平切換到低電平。
• 停止條件：SCL高電平期間，SDA由低電平切換到高電平。

處於從模式的I2C接口可以識別自身地址（7-bit或10-bit）和廣播呼叫地址。其中，廣播地址檢測功能是可選功能，可由軟件啟用或關閉。

數據和地址都是以8-bit、MSB優先格式傳送。起始條件後的第1或2個字節為（從機）地址信息（7-bit地址用1字節，10-bit地址用2字節）。地址始終由主模式發送，從機收到地址後與自己的地址進行比對，若匹配則進行應答。

每個字節需要8個時鐘脈沖來傳輸數據位，外加1個確認脈沖。在第9個脈沖期間，接收器必須向發送器回送應答位（ACK，acknowledgment，把SDA拉低）。

2.3 I2C從模式

I2C默認工作於從模式，要切換到主模式，需要主動產生一個起始條件。為了產生正確的時序，程序中必須通過配置I2C_CR2寄存器來設定I2C的輸入時鐘。輸入時鐘頻率要求如下：

• 標準模式，不低於2MHz
• 快速模式，不低於4MHz

檢測到起始條件後，I2C立即開始從SDA線上接收地址並送入移位寄存器（參見圖2）。然後將之與自身地址OAR1和OAR2（若ENDUAL=1）或廣播呼叫地址（若ENGC=1）進行比對。地址為10-bit模式時，會對地址頭（11110xx0）一起進行比對，其中xx是地址的兩個最高有效位（其餘8位從地址單獨占1個字節）。比較後可能的結果如下：

• 地址頭或地址不匹配：I2C接口忽略該地址並等待下一個起始條件。
• 地址頭匹配（10-bit模式）：如果ACK=1，I2C接口會產生ACK脈沖並等待8位從地址。
• 地址匹配：I2C接口執行如下步驟：

• 若ACK=1，產生一個應答脈沖
• 硬件置ADDR=1（address matched），如果ITEVFEN=1，會產生中斷
• 如果ENDUAL=1，軟件必須讀DUALF位，來檢查應答的從地址

10-bit模式下，接收到地址序列後，從機會一直處於接收器模式。隻有在收到地址位匹配且末位為1的地址頭（11110xx1）後，再次收到起始條件才會進入發送器模式。TRA位用來指示從機當前是否處於發送器模式。以下是不同從模式下的工作時序：

1. 從發送器模式（TRA=1）

圖4. 從發送器工作流程示意圖

從發送器工作流程示意圖如圖4所示。收到起始條件後，先接收地址。接收到地址並清除ADDR位後，從機經內部的移位寄存器，將數據從DR寄存器送到SDA線上。在待發送數據載入DR和ADDR位被清除之前，從機會將SCL時鐘信號引腳拉低（對應圖4中的EV1和EV3事件，事件變化和清除方法見圖下方），這會迫使主機進入等待狀態。從機準備好以後，釋放SCL（恢復高電平），數據開始傳輸。每次傳輸可以發送的字節數不受限制，但發送到SDA線上的數據必須為8bit（即1字節），每個字節後必須跟一個應答位。

每個字節發送完畢，收到應答脈沖後，通過軟件將TxE（Tx data register Empty）位置1。如果設置了ITEVFEN和ITBUFEN位，此時會產生中斷。

如果TxE被置1，在下一個數據發送結束前，沒有新數據寫入到I2C_DR寄存器，BTF（Byte Transfer Finished）位會被置1。在清除BTF位之前，SCL保持低電平。

要清除BTF位需要讀一次I2C_SR1，然後寫一次I2C_DR。

2. 從接收器（TRA=0）

從接收器工作流程示意圖如圖5所示。

圖5. 從接收器工作流程示意圖

在接收到地址並清除ADDR後，從接收器通過內部移位寄存器將從SDA線接收到的字節存入DR寄存器。接收所有字節後，I2C會執行如下步驟：

• 如果ACK=1，發回一個應答脈沖
• RXNE位被硬件置1，如果使能了事件中斷使能位ITEVFEN和緩存中斷使能位ITBUFEN，會產生中斷。

如果RXNE被置1，在下一個數據接收完成前，DR寄存器未被讀取，BTF位會被置1。在清除BTF位之前，SCL保持低電平。清除BTF的步驟同前。

3. 關閉從機

傳輸完最後一個字節後，主設備產生一個停止狀態，I2C檢測到這一狀態時：

• 設置STOPF=1，如果事件中斷使能位ITEVFEN=1，則會產生中斷。

要清除STOPF位需要讀一次SR1寄存器，然後寫一次CR1寄存器。

2.4 I2C主模式

I2C處於主模式時，負責發起數據傳輸並產生時鐘信號。數據的串行傳輸總是以起始條件開始，以停止條件結束。通過設置I2C_CR1寄存器中的START=1，在總線上產生一個起始條件，I2C接口即可進入主模式。以下是進入主模式的一些必要操作步驟：

• 配置I2C_CR2寄存器的FREQ[5:0]位，以產生正確的時序。輸入時鐘頻率必須滿足：SM模式下，不小於2MHz；Fm模式下，不小於4MHz
• 配置I2C_CCR寄存器，設置時鐘模式、占空比、速度
• 配置上升時間寄存器I2C_TRISE
• 設置I2C_CR1寄存器的PE位，使能I2C
• 設置I2C_CR1寄存器的START位，產生起始條件

主模式也可以分別工作於發送器和接收器狀態。時序圖分別如圖6和圖7所示。

圖6. 主發送器工作流程示意圖

圖7. 主接收器工作流程示意圖

1. 產生SCL主時鐘

SCL時鐘通過I2C_CCR寄存器進行配置：F/S位選擇I2C的速度模式；DUTY位設置占空比；CCR[11:0]位設置預分頻系數，通過對PCLK1進行分頻來得到SCL時鐘高/低電平的持續時長（分別以上升沿和下降沿作為參考起點）。

由於從機可能會拉低SCL線，主機在產生上升沿後，會延遲TRISE位中設置的時間，再去檢查來自總線上的SCL輸入。根據檢查結果：

• 如果SCL線為低電平，表明從機正在拉低總線，高電平計數器會停止，直至SCL線上檢測到高電平。這種機制可以確保SCL時鐘參數具有最小的HIGH周期。
• 如果SCL線為高電平，高電平計數器保持計數。

即使沒有從機拉低時鐘線，從主機產生SCL上升沿，到其檢測到SCL上出現上升沿，這個反饋過程也需要一定的時間。這個反饋時長與如下因素有關：SCL上升時間（影響SCL VIH數據檢測），噪聲過濾器帶來的時延，內部SCL輸入與APB時鐘的同步造成的時延。反饋回路所需的最大時延量可以在TRISE位進行設置（主機保持上升沿等待的時間），這樣無論SCL上升時間多長，都可以保持SCL頻率的穩定。

2. 起始條件

當BUSY=0時，設置I2C_CR1寄存器中的START=1，I2C接口會產生一個起始條件，並切換到主模式（MSL位被置1）。如果I2C已經處於主模式，設置START=1會使其在當前字節傳輸完成後，產生一個重開始條件（Restart condition）。

發出起始條件後，硬件會設置SB=1（起始位），如果ITEVFEN=1，則會產生中斷。然後，主機開始等待一個讀SR1寄存器、接著將從機地址寫入DR寄存器的動作。這兩個連續動作會同時清除SB位（參加圖6和圖7中的EV5事件）。

3. 從地址發送

從機地址被載入DR寄存器後，會被內部的移位寄存器發送到SDA線上。

(1) 10-bit地址模式，發送地址頭序列會引發如下事件：

• ADD10位被置1，如果設置了ITEVFEN=1，則會產生中斷。然後，主機開始等待一個讀SR1寄存器、接著將第2個地址字節寫入DR寄存器的動作（圖6和圖7中的EV9）。
• 硬件設置ADDR=1，如果設置了ITEVFEN=1，則會產生中斷。然後，主機開始等待一個讀SR1寄存器、接著讀SR2的動作（圖6/7中的EV6）。

(2) 7-bit地址模式，唯一的地址字節被發送。地址發送後，

• 硬件設置ADDR=1，如果設置了ITEVFEN=1，則會產生中斷。然後，主機開始等待一個讀SR1寄存器、接著讀SR2的動作（圖6/7中的EV6）。

主機根據所發送從地址的最低位，決定進入發送器模式還是接收器模式。

(1) 7-bit地址模式下，如果

• 主機發送的從地址最低位為0，則進入發送器模式。
• 主機發送的從地址最低位為1，則進入接收器模式。

(2) 10-bit地址模式下，如果

• 主機依次發送：地址頭11110xx0 ，從地址，則進入發送器模式。
• 主機依次發送：地址頭11110xx0，從地址，重復起始條件，地址頭11110xx1，則進入接收器模式。

TRA位指示主設備所處狀態：1-發送器模式；0-接收器模式。

4. 主發送器

在發送完地址並清除ADDR位以後，主機通過內部的移位寄存器按字節將數據發送到SDA線上。主機等待第一個數據被寫入I2C_DR（圖6中的EV8_1)。當收到應答脈沖時，TXE位被硬件置1，如果設置了ITEVFEN和ITBUFEN位，則會產生中斷。

如果TxE=1且在上一個數據傳輸完成之前沒有新數據字節寫入DR寄存器，則硬件將BTF（Byte transfer finished）置1。I2C接口將SCL拉低，直至BTF位被清除（讀I2C_SR1，然後寫I2C_DR）。

5. 關閉通信

將最後1個字節寫入DR寄存器後，軟件設置STOP=1，產生一個停止條件（圖6中的EV8_2）。I2C接口自動回到從模式（MSL=0）。註意，應該在EV8_2期間，當TXE=1或BTF=1時，產生停止條件。

6. 主接收器

在發送完地址並清除ADDR位以後，I2C接口進入主發送器模式。在該模式下，I2C接口通過內部的移位寄存器從SAD線上接收字節，並將其存入DR寄存器。接收每個字節後，I2C執行如下步驟：

• 如果ACK=1，發回應答脈沖。
• 設置RXNE=1，如果設置了ITEVFEN和ITBUFEN，則產生中斷。

如果RXNE=1且在上一個數據接收完成之前DR寄存器未被讀取，則硬件將BTF置1。I2C接口將SCL拉低，直至BTF位被清除（讀I2C_SR1，然後寫I2C_DR）。

7. 關閉通信

（1）方法1：適用於I2C開啟中斷且中斷優先級最高的情況

主機收到從機發送的最後一個字節後，發送NACK（Non-acknowledge）。從機收到NACK後，釋放SCL和SDA線，使得主機能夠發送停止/重啟條件。

• 為了在收到最後一個字節後產生NACK脈沖，在讀取倒數第二個字節（倒數第二個RxNe事件後）後必須清除ACK位。
• 為了產生停止/重啟條件，在讀取倒數第二個字節後軟件必須將STOP/START置1。
• 隻接收1個字節時，在EV6之後（EV6_1，ADDR剛被清除後）要關閉應對和產生停止條件。

產生停止條件後，I2C接口自動回到默認的從模式（MSL位被清除）。

（2）方法2：適用於I2C開啟中斷，但中斷優先級不是最高，或者I2C以輪詢方式工作的情況

此方法的時序示意圖如圖8所示。DR寄存器收到DataN-2後不讀取，這樣在DataN-1被接收進移位寄存器後，通信被掛起（RxNE和BTF同時被置1）。EV7_2期間完成如下操作：在讀取DR中的DataN-2之前，先清除ACK位，這樣才能確保在DataN的應答脈沖之前ACK=0。讀取DataN-2後，馬上設置STOP/START位並讀取DataN-1。待RxNE被置位後，再讀取DataN。

圖8. 主接收器關閉通信方法2時序圖（N>2）

在剩3個待讀取數據時，後續流程如下：

• RXNE=1，無動作（DataN-2存在DR，不讀）
• DataN-1被接收（存在移位寄存器中）
• 因為DR和移位寄存器均非空，所以BTF=1。SCL被拉低，禁止總線上新數據的接收
• ACK=0
• 讀DR中的DataN-2。DataN-1被移入DR，騰出移位寄存器準備接收DataN
• 收到DataN和一個NACK
• 設置START/STOP位
• 讀DataN-1
• RxNE=1
• 讀DataN

以上是N>2的情況，如果隻接收1個或2個數據時，要按如下方法進行特殊處理：

● N=1的情況：

• 在ADDR時間中，清除ACK
• 清除ADDR
• 設置START/STOP位
• 待RXNE=1後，讀最後一個字節

上述過程時序如圖9所示。

圖 9. 主接收器關閉通信方法2時序圖（N=1）

● N=2的情況：

• 將POS（Acknowledge Position）和ACK置1
• 等待ADDR被置1
• 清除ADDR
• 清除ACK
• 等待BTF被置1
• 設置STOP
• 讀DR寄存器兩次

上述過程時序如圖10所示。

圖10. 主接收器關閉通信方法2時序圖（N=2）

2.5 錯誤處理

以下是幾種可能會導致通信失敗的錯誤：

1. 總線錯誤（BERR）

在數據或地址傳輸期間，當I2C接口檢測到外部Stop或Start條件時，會出現這種錯誤。這種情況下：

• BERR位被置1，如果設置了ITERREN，會產生中斷。
• 在從模式下，數據被丟棄，通信連線被硬件釋放。如果是誤啟動，從機將之視為重啟並等待地址或Stop條件；如果是誤停止，從機將之視為Stop條件，通信線路被硬件釋放。
• 在主模式下：通信連線不會被硬件釋放，當前傳輸狀態不受影響，是否終止當前傳輸交由軟件決定。

2. 應答失敗（AF）

當I2C接口檢測到“無應答”位時，會出現這種錯誤。這種情況下：

• AF位被置1，如果設置了ITERREN位，會產生中斷。
• 收到NACK時，發送器必須將通信復位。若為從機，通信線路被硬件釋放；若為主機，軟件必須生成一個停止或重復起始條件。

3. 仲裁丟失（ARLO）

當I2C接口檢測到仲裁丟失情況時，會出現這種錯誤。這種情況下：

• ARLO位被置1，如果設置了ITERREN位，會產生中斷。
• I2C接口自動回到從模式（MSL位被清除）。丟失仲裁後，I2C無法在同一傳輸中響應它的從地址。在贏得總線的主機發送重復的起始條件後才會恢復響應。
• 通信線路被硬件釋放。

4. 過載/欠載錯誤（OVR/UDR）

過載錯誤OVR是指，I2C接收到下一字節時，DR中已接收的字節未被讀取。在從模式下，當時鐘延長被禁止且I2C正在接收數據時，可能會出現這種錯誤。此時，

• DR中上一次接收的數據因被覆蓋而丟失。
• 如果出現OVR，軟件應該清除RXNE位，發送器應重新發送上一個字節。

欠載錯誤UDR是指，下一字節的時鐘到來前，I2C接口沒有將下一字節更新到DR寄存器，TxE仍等於1。在從模式下，當時鐘延長被禁止且I2C正在發送數據時，可能會出現這種錯誤。此時，

• DR中的同一字節會被再次發送。
• 用戶應該在接收端確定UDR期間重復發送的字節並將之丟棄。發送端會在I2C總線標準規定的時鐘低電平期間寫入下一個字節。

至於第一個待發送字節，則必須在ADDR被清除之後且第一個SCL上升沿到來前寫入DR寄存器。如果做不到這一點，接收器必須丟棄第一個數據。

2.6 SDA/SCL線控制

1. 如果使能了時鐘延長

• 發送器模式：若TxE=1且BTF=1，傳輸前I2C接口會保持時鐘線處於低電平，等待微處理器讀SR1後將數據寫入DR（緩存和移位寄存器均為空）。
• 接收器模式：若RxNE=1且BTF=1，接收到數據後I2C接口會保持時鐘線處於低電平，等待微處理器讀SR1後讀取DR中的數據（緩存和移位寄存器均為空）。

2. 如果在從模式禁用了時鐘延長

• 在下一字節被接收前，如果RxNE=1且DR未被讀取，會出現過載錯誤。上一字節丟失。
• 在下一字節被發送前，如果TxE=1且DR未被寫入，會出現欠載錯誤。同一字節會被再次發送。
• 寫沖突不受管理。

2.7 系統管理總線SMBus

最簡單的I2C通信隻需1條線數據線SDA和1條時鐘線SCL。從圖2可以看出，I2C模塊通常還有一個SMBA引腳，這個引腳是用來實現SMBus（系統管理總線）接口的。SMBus接口是一個雙線接口，通過它，各種設備相互之間、以及設備與系統其他部分之間可以通信。SMBus為系統和電源管理相關任務提供一條控制總線。系統可以使用SMBus在設備之間傳遞消息，而不必切換控制線。

系統管理總線標準涉及三類設備，

• 從設備slave，即接收或響應指令的設備。
• 主設備master，即發起命令、產生時鐘和終止傳輸的設備。
• 服務機host，即提供與系統CPU主接口的特定主設備。服務機必須同時局部master和slave功能，並且必須支持SMBus提醒協議。一個系統中，隻允許有一個服務機。

1. SMBus與I2C的相似之處

• 2線總線協議（1時鐘線，1數據線） 可選的SMBus提醒線
• 主-從通信，主機提供時鐘
• 多主機功能
• SMBus數據格式與I2C 7-bit地址格式相似（見圖4）

2. SMBus與I2C的不同之處

二者區別見下表：

3. SMBus在應用中的主要用途

利用SMBus，設備可以提供制造商信息，告訴系統其型號/序列號，為暫停事件保存狀態，報告不同類型的錯誤，接收控制參數，返回自身狀態。SMBus為系統和電源管理相關的任務提供了一個控制總線。

4. 設備識別

SMBus總線上作為從機的每個設備都有一個唯一的地址，稱為從地址。SMBus規范中預留了一些地址，詳情請到http://smbus.org/specs下載並查閱最新的規范（V3.1 @2022）。

5. 總線協議

SMBus技術規范支持多達9個總線協議。詳情請查閱前述SMBus規范。這些協議需要由用戶在軟件來實現。

6. 地址解析協議（ARP）

為了解決SMBus從地址沖突問題，可以動態分配新的唯一地址給每個從設備。地址解析協議（Address Resolution Protocal，ARP）就是為這一目的服務的。ARP具有如下特性：

• 使用標準SMBus物理層仲裁機制進行地址分配。
• 設備保持供電期間，分配的地址不變；也可以設備斷電後保留其地址。
• 分配地址後，無額外的SMBus打包開銷。也就是說，後續訪問分配地址的從機與訪問固定地址設備的開銷是一樣的。
• 每個SMBus主設備都可以遍歷總線。

7. 唯一設備標識符（UDID）

UDID（Unique device identifier）是一種用來區分各個器件的機制，即為每個設備必須要有一個唯一的標識符，這樣才便於分配地址。

關於在ARP上128-bitUDID的詳細形象，請查閱前述SMBus規范。

8. SMBus提醒模式

SMBus是一個帶中斷線的可選信號，適用於希望用主控能力換取一個引腳的設備。SMBALERT和SCL、SDA信號一樣，是一種“線與”信號。SMBA要與SMBus廣播呼叫地址一起使用。使用SMBus調用的消息長度為兩字節。

一個隻具備從功能的設備，可以通過設置I2C_CR1寄存器中的ALERT位，經SMBA示意服務機它需要通信。服務機在處理該中斷的同時，會通過Alert Response Address（ARA，值介於0001-100X之間）訪問所有SMBA設備，但隻有拉低SMBA的設備才會回應ARA。這種狀態有I2C_SR1寄存器的SMBALERT標志位來標識。服務機執行一個修改接收字節的操作。從發送設備提供的7位地址被置於該字節的7個最高位。第8位可以為0或1。

如果拉低SMBA的設備不止一個，具有最高優先級（最小地址）的設備，將會在從地址傳輸期間，通過標準仲裁贏得通信權利。在確認從地址後，此設備必須釋放SMBA拉低。當信息傳輸完成後，如果服務器仍看到有SMBA低，它會再次去讀ARA。

沒有執行SMBA信號的服務機，會周期性的訪問ARA。關於SMBus提醒模式的更多詳情，請查閱前述SMBus規范。

9. 超時錯誤

I2C和SMBus的時序標準有許多不同。SMBus定義了一個時鐘低超時TIMEOUT，最大值為35ms。它包括兩部分，其中TLOW:SEXT為從設備累積時鐘低持續時間（25ms），TLOW：MEXT為主設備累積時鐘低持續時間（10ms）。關於超時相關的更多詳情，請查閱前述SMBus規范。

發生TIMEOUT或TLOW錯誤時，I2C_SR1寄存器中的TIMEOUT位會被置1。

10. 如何啟用SMBus模式

要將I2C模式切換到SMBus模式，需要執行如下步驟：

• 設置I2C_CR1中的SMBUS=1
• 按應用要求，配置I2C_CR1寄存器中的SMBTYPE（設備/服務機）和ENARP位
• SMBus模式下，將設備設為主/從機的方法與I2C模式下的方法一致。參見前述15.3.3或15.3.4小節。

2.8 DMA請求

STM32的I2C支持DMA。DMA請求使能後，僅用於數據傳輸。發送時DR寄存器已空或接收時DR寄存器非空，均會產生DMA請求。I2C傳輸數據前，必須先完成DMA初始化化和使能。通常在ADDR事件（地址發送或成功接收）前，必須將I2C_CR2中的DMAEN位置1。在使能了時鐘拉伸的主/從模式中，也可以在ADDR事件期間（清除ADDR位前）設置DMAEN=1。DMA請求必須在當前字節傳輸結束前送達。在達到了為相應DMA通道設置的數據傳輸數量時，DMA控制器向I2C接口發送結束傳輸信號EOT（End of Transfer），如果TCIE=1（DMA_CCRx寄存器）則會產生一個傳輸完成中斷：

• 主發送器：在EOT中斷後的中斷服務程序中，關閉DMA請求，等待BTF事件，最後設置停止條件。
• 主接收器：剩餘待接收字節數≥2時，DMA控制器發送一個硬件信號EOT_1（對應於倒數第2個數據字節）。如果I2C_CR2寄存器中的LAST=1，在EOT_1後I2C自動發送一個NACK。開啟中斷的情況下，用戶可以在DMA傳輸完成中斷中產生一個停止條件。

1. 用DMA發送

將I2C_CR2寄存器中的DMAEN位置1，即可使能DMA模式來進行發送。每次TxE被置1時，數據都會從配置DMA時指定的內存加載到DR寄存器。按如下步驟將DMA通道x映射到I2C發送：

• 在DMA_CPARx寄存器中，寫入I2C_DR寄存器的地址。每次發生TxE事件後，數據將從內存移入此地址。
• 在DMA_CMARx寄存器中，寫入存儲數據的內存地址。每次發生TxE事件後，數據將由此加載到DR。
• 在DMA_CNDTRx寄存器中，設置傳輸的總字節數。每次發生TxE事件後，此值會遞減。
• 在DMA_CCRx寄存器中，通過PL[1:0]位設置DMA通道優先級。
• 在DMA_CCRx寄存器中，設置DIR=1（內存到外設），根據需要設置TCIE或HTIE位開啟傳輸完成或半傳輸中斷。
• 在DMA_CCRx寄存器中，設置EN=1，激活DMA通道。

當達到了所設定的數據數量時，DMA控制器發送EOT/EOT_1信號給I2C接口。如果在DMA通道中斷向量上使能了中斷，此時會產生相應的中斷。

采用DMA發送時，不要使能I2C_CR2寄存器中的ITBUFEN位。因為這個位會開啟TxE中斷，DMA傳輸時完全沒有必要。

2. 用DMA接收

使用DMA模式進行接收的方法與上述用DMA來發送的方法類似，隻是DMA工作時存、讀數據的方向反向而已。每次接收到數據，DMA都會將其從DR加載到配置DMA時指定的內存中。按如下步驟將DMA通道x映射到I2C接收：

• 在DMA_CPARx寄存器中，寫入I2C_DR寄存器的地址。每次發生RxNE事件後，數據將由此被移動到內存。
• 在DMA_CMARx寄存器中，寫入存儲數據的內存地址。每次發生RxNE事件後，數據將由此DR加載到此內存。
• 在DMA_CNDTRx寄存器中，設置傳輸的總字節數。每次發生RxNE事件後，此值會遞減。
• 在DMA_CCRx寄存器中，通過PL[1:0]位設置DMA通道優先級。
• 在DMA_CCRx寄存器中，設置DIR=0（外設到內存），根據需要設置TCIE或HTIE位開啟傳輸完成或半傳輸中斷。
• 在DMA_CCRx寄存器中，設置EN=1，激活DMA通道。

當達到了所設定的數據數量時，DMA控制器發送EOT/EOT_1信號給I2C接口。如果在DMA通道中斷向量上使能了中斷，此時會產生相應的中斷。

2.9 數據包錯誤檢查

為了提高通信的可靠性，I2C中設置了一個PEC計算器。使用CRC-8多項式C(x)=x8 x2 x 1對每個數據位串行計算來得到PEC：

使能PEC計算：設置I2C_CR1寄存器中的ENPEC=1。PEC使用CRC-8多項式對所有信息字節（包括地址和R/W位）進行計算。

• 發送時：在最後一個字節的TxE事件後，設置PEC=1。這樣，最後一個字節發送完成後，PEC會被發送出去。
• 接收時：在最後一個字節的RxNE事件後，設置PEC=1。這樣，接收器將會把下一個收到的字節與內部計算出的PEC進行比較。如果不相等，接收器會發回一個NACK。如果是主接收器，無論校對結果如何，PEC後都必須發送一個NACK。必須在接收當前字節的ACK脈沖之前將PEC置1。

在I2C_SR1寄存器中還有一個PECERR標志位，用來標識是否出現了PEC錯誤。如果同時開啟了PEC和DMA：

• 發送時：當I2C接口收到來自DMA控制器的EOT信號時，它自動在最後一個字節後發送PEC。
• 接收時：當I2C接口收到來自DMA控制器的EOT_1信號時，它自動將下一個字節當作PEC並對其進行校對。收到PEC後會產生一個DMA請求。

為了在最後一個字節後允許發送PEC，I2C_CR2寄存器中有一個控制位LAST，用來判斷當前是否是最一次DMA傳輸。如果是主發送器的最後一次DMA請求，在收到最後一個字節後會自動發送NACK。

仲裁丟失時PEC計算被破壞。

2.10 I2C的中斷

I2C用三個中斷使能位來管理中斷事件。相關中斷事件、標志位和中斷使能位如下表所示：

ITEVFEN和ITERREN分別占一條中斷線，同一條線上的不同事件是邏輯“或”的關系。如圖11所示。

圖11. I2C中斷線映射關系示意圖

三、I2C寄存器

STM32F103ZET6中與I2C相關的寄存器共有9個，地址映射與復位值表如圖1所示。這些寄存器必須按按半字（16 bits）或全字（32 bits）訪問。

3.1 I2C控制寄存器1 （I2C_CR1）

3.2 I2C控制寄存器2 （I2C_CR2）

3.3 I2C地址寄存器1（I2C_OAR1）

3.4 I2C地址寄存器2 （I2C_OAR2）

3.5 I2C數據寄存器（I2C_DR）

3.6 I2C狀態寄存器1 （I2C_SR1）

3.7 I2C狀態寄存器1 （I2C_SR2）

3.8 I2C時鐘控制寄存器1 （I2C_CCR）

3.9 I2C上升事件寄存器1 （I2C_TRISE）

四、HAL庫I2C相關函數

HAL庫中I2C相關的常規庫函數有49個，在stm32f1xx_hal_i2c.h中聲明，stm32f1xx_hal_i2c.c中定義。如果基於STM32CubeIDE編程，大多函數都可以自動生成。隻需適當添加代碼和編寫所需的*Callback即可。僅將函數名稱羅列如下，大多可以從名稱看出功能。

/* Initialization and de-initialization functions******************************/
HAL_I2C_Init();
HAL_I2C_DeInit();
HAL_I2C_MspInit();
HAL_I2C_MspDeInit();
/* IO operation functions  ****************************************************/
/******* Blocking mode: Polling */
HAL_I2C_Master_Transmit();
HAL_I2C_Master_Receive();
HAL_I2C_Slave_Transmit();
HAL_I2C_Slave_Receive();
HAL_I2C_Mem_Write();
HAL_I2C_Mem_Read();
HAL_I2C_IsDeviceReady();
/******* Non-Blocking mode: Interrupt */
HAL_I2C_Master_Transmit_IT();
HAL_I2C_Master_Receive_IT();
HAL_I2C_Slave_Transmit_IT();
HAL_I2C_Slave_Receive_IT();
HAL_I2C_Mem_Write_IT();
HAL_I2C_Mem_Read_IT();
HAL_I2C_Master_Seq_Transmit_IT();
HAL_I2C_Master_Seq_Receive_IT();
HAL_I2C_Slave_Seq_Transmit_IT();
HAL_I2C_Slave_Seq_Receive_IT();
HAL_I2C_EnableListen_IT();
HAL_I2C_DisableListen_IT();
HAL_I2C_Master_Abort_IT();
/******* Non-Blocking mode: DMA */
HAL_I2C_Master_Transmit_DMA();
HAL_I2C_Master_Receive_DMA();
HAL_I2C_Slave_Transmit_DMA();
HAL_I2C_Slave_Receive_DMA();
HAL_I2C_Mem_Write_DMA();
HAL_I2C_Mem_Read_DMA();
HAL_I2C_Master_Seq_Transmit_DMA();
HAL_I2C_Master_Seq_Receive_DMA();
HAL_I2C_Slave_Seq_Transmit_DMA();
HAL_I2C_Slave_Seq_Receive_DMA();
/******* I2C IRQHandler and Callbacks used in non blocking modes (Interrupt and DMA) */
HAL_I2C_EV_IRQHandler();
HAL_I2C_ER_IRQHandler();
HAL_I2C_MasterTxCpltCallback();
HAL_I2C_MasterRxCpltCallback();
HAL_I2C_SlaveTxCpltCallback();
HAL_I2C_SlaveRxCpltCallback();
HAL_I2C_AddrCallback();
HAL_I2C_ListenCpltCallback();
HAL_I2C_MemTxCpltCallback();
HAL_I2C_MemRxCpltCallback();
HAL_I2C_ErrorCallback();
HAL_I2C_AbortCpltCallback();
/* Peripheral StateMode and Error functions  *********************************/
HAL_I2C_StateTypeDef HAL_I2C_GetState();
HAL_I2C_GetMode();
HAL_I2C_GetError();

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