目录：

  • 一、I2C协议简介
  • 二、STM32的I2C
  • 三、I2C读取EEPROM

一、I2C协议简介

  I2C(IIC,Inter－Integrated Circuit),两线式串行总线,由飞利浦(PHILIPS)公司开发用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的半双工串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，高速IIC总线一般可达400kbps以上。

1.功能特点
  1）它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)。
  2）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。
  3)多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。
  4)具有三种传输模式:标准模式的传输速率为100 Kbit/s", 快速模式为400 Kbit’s ，高速模式下可达3.4 Mbit/s,但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
  5)片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波以保证数据完整。
  6)连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400 pF限制。
2.信号时序
  I2C 总线在传送数据中有空闲状态、开始信号、停止信号、应答信号、数据的有效性判断、数据传输等信号机过程。
  1）空闲状态
  I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
  2）起始信号与停止信号
  ⚫ 起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
  ⚫ 停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

  3）应答信号ACK
  发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。

  4）数据有效性
  I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在在下降沿到来之前必须稳定。

  5）数据的传送
  在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
  4）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 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。
3.工作流程
  I2C的协议包括起始和停止条件、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

  上图表示的是主机和从机通信时SDA线的数据包序列。
  其中S表示由主机的IC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。该位为1时，则相反。
 从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一一个应答(A)或非应答(A)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，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-一个数据，都要等待从机的应答信号(A,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，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(A),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(A)，则从机自动停止数据传输。

二、STM32的I2C

1.I2C接口特性
  1) STM32的中等容量和大容量型号的芯片均有多达两个的rc总线接口。
  2)能够工作于多主模式或从模式，分别为主接收器、主发送器、从接收器及从发送器。
  3)支持标准模式100 Kbit/s和快速模式400 Kbit/s,不支持高速模式。
  4)支持7位或10位寻址。
  5)内置了硬件CRC发生器/校验器。
  6) I2C 的接收和发送都可以使用DMA操作。
  7)支持系统管理总线(SMBus) 2.0 版。
2.I2C架构

  上图中我们可以看到，I2C的所有硬件架构就是根据SCL线和SDA线展开的(其中SMBALERT线用于SMBus)。
  SCL线的时序即为I2C协议中的时钟信号，它由IC接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。
  而SDA线的信号则通过一系列数据控制架构，在将要发送的数据的基础上，根据协议添加各种起始信号、应答信号、地址信号，实现以I2C协议的方式发送出去。读取数据时则从SDA线上的信号中取出接收到的数据值。发送和接收的数据都被保存在数据寄存器(DR)上。

三、I2C读取EEPROM

1.发送读写流程
（1）主发送器发送流程：
  ⚫ 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，表示起始信号已发送；
  ⚫ 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；
  ⚫ 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；
  ⚫ 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EV8_2 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判断是哪一个事件。
（2）主接收器接收流程：
  ⚫ 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；
  ⚫ 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 寄存的“ADDR”位被置 1，表示地址已经发送。
  ⚫ 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；
  ⚫ 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标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。
2.I2C初始化函数

I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = I2C1_OWN_ADDRESS7;
I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgeAddress = I2C_AcknowledgeAddress_7bit;
I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = I2C_Speed;
I2C_Init(I2C1,ENABLE);

(1)I2C_ Mode :
  本成员是选择I2C的使用方式，有I2C模式(I2C_ Mode_I2C)和SMBus模式(I2C_ Mode_SMBusDevice、I2C Mode_ SMBus_Host )。
(2)I2C_DutyCycle:
  本成员设置的是I2C的SCL线时钟的占空比。SCL线的时钟信号的高电平时间与低电平时间不必相同，由于SDA线在SCL线维持在高电平时读取或写入数据，而在SCL的低电平期间SDA的数据发生变化，所以高电平时间较长就不容易出现数据错误。根据I2C协议，在快速模式和高速模式下SCL的高低电平时间可以不同。在STM32的rC占空比配置中有两个选择，分别为高电平时间和低电平时间之比为16:9 (I2C_DutyCycle_16_9)和2: 1 ( I2C_DutyCycle_2)。
(3) I2C_OwnAddress1 :
  本成员配置的是STM32的IC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。就如同前面介绍的连接到IFC的EEPROM的设备地址一样，只不过STM32的I2C地址可软件编程。这个地址可以被配置为7位和10位地址。
(4)I2C_AckEnable:
  本成员关于FC应答设置，设置为使能则每接收到一个字节就返回一个应答信号。本实验配置为允许应答(I2C_Ack_ Enable)， 这是绝大多数遵循I2C标准的设备通信的要求，改为禁止应答(I2C_Ack_Disable) 往往会导致通信错误。
(5)I2C_AcknowledgeAddress :
  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IC总线上设备的地址进行选择。本实验是与EEPROM进行通信，使用的为7位寻址模式(I2C_AcknowledgedAddress_7bit)。
(6)I2C_ClockSpeed :
  本成员设置的是FC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经过运算后把分频值写人到FC的时钟控制寄存器。而我们写人的这个参数值不得高于400KHZ。本实验向这个成员写人参数为400000 (自定义密I2C Speed)。实际上由于IC使用的APB1时钟为36 MHz，不是10 MHz的整数倍，因此最终分频后输出的SCL线时钟并不是精确的400KHz。
  对结构体成员赋值完成后，我们调用库函数I2C_ Init()根据我们的配置对IFC进行初始化，并调用库函数I2C_Cmd()使能I2C外设。
3.实验程序
  这里我们不使用STM32的硬件IIC来读写24C02，而是通过软件模拟IIC来读写24C02。STM32的硬件IIC非常复杂，更重要的是不稳定，故不推荐使用。
（1）IIC初始化函数

//初始化 IIC
void IIC_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//RCC->APB2ENR|=1<<4;//先使能外设 IO PORTC 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE );GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;
}
//产生 IIC 起始信号
void IIC_Start(void)
{SDA_OUT(); //sda 线输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(4);
IIC_SCL=0;//钳住 I2C 总线，准备发送或接收数据
}
//产生 IIC 停止信号
void IIC_Stop(void)
{SDA_OUT();//sda 线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;//发送 I2C 总线结束信号
delay_us(4);
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{u8 ucErrTime=0;
SDA_IN(); //SDA 设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出 0
return 0;
}
//产生 ACK 应答
void IIC_Ack(void)
{IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//不产生 ACK 应答
void IIC_NAck(void)
{IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
//IIC 发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{u8 t;
SDA_OUT();IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输for(t=0;t<8;t++){IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;txd<<=1;
delay_us(2); //对 TEA5767 这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);}
}
//读 1 个字节，ack=1 时，发送 ACK，ack=0，发送 nACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA 设置为输入for(i=0;i<8;i++ )
{IIC_SCL=0;delay_us(2);
IIC_SCL=1;receive<<=1;if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);}if (!ack)IIC_NAck();//发送 nACKelseIIC_Ack(); //发送 ACKreturn receive;
}

  该部分为IIC初始化代码，实现包括IIC的初始化（IO口）、IIC开始、IIC结束、ACK、IIC读写等功能，在其他函数里面，只需要调用相关的IIC函数就可以和外部IIC器件通信了，这里并不局限于24C02，该段代码可以用在任何IIC设备上。
（2）IIC.h

#define SDA_IN() {GPIOC->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOC->CRH|=8<<12;}
#define SDA_OUT() {GPIOC->CRH&=0XFFFF0FFF;GPIOC->CRH|=3<<12;}

（3）24C02代码

#include "24cxx.h"
#include "delay.h"
//初始化 IIC 接口
void AT24CXX_Init(void)
{IIC_Init();
}
//在 AT24CXX 指定地址读出一个数据
//ReadAddr:开始读数的地址
//返回值 :读到的数据
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{u8 temp=0;IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1)); //发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack(); IIC_Send_Byte(ReadAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA1); //进入接收模式
IIC_Wait_Ack();temp=IIC_Read_Byte(0);IIC_Stop();//产生一个停止条件
return temp;
}
//在 AT24CXX 指定地址写入一个数据
//WriteAddr :写入数据的目的地址
//DataToWrite:要写入的数据
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址
}else IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1)); //发送器件地址 0XA0,写数据
IIC_Wait_Ack();IIC_Send_Byte(WriteAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite); //发送字节
IIC_Wait_Ack();IIC_Stop(); //产生一个停止条件
delay_ms(10); //对于 EEPROM 器件，每写一次要等待一段时间，否则写失败！
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始写入长度为 Len 的数据
//该函数用于写入 16bit 或者 32bit 的数据.
//WriteAddr :开始写入的地址
//DataToWrite:数据数组首地址
//Len :要写入数据的长度 2,4
void AT24CXX_WriteLenByte(u16 WriteAddr,u32 DataToWrite,u8 Len)
{u8 t;
for(t=0;t<Len;t++) AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始读出长度为 Len 的数据
//该函数用于读出 16bit 或者 32bit 的数据.
//ReadAddr :开始读出的地址
//返回值 :数据
//Len :要读出数据的长度 2,4
u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 ReadAddr,u8 Len)
{u8 t; u32 temp=0;
for(t=0;t<Len;t++)
{temp<<=8;
temp+=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1);
}
return temp;
}
//检查 AT24CXX 是否正常
//这里用了 24XX 的最后一个地址(255)来存储标志字.
//如果用其他 24C 系列,这个地址要修改
//返回 1:检测失败
//返回 0:检测成功
u8 AT24CXX_Check(void)
{u8 temp;
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写 AT24CXX
if(temp==0X55)return 0;
else//排除第一次初始化的情况
{AT24CXX_WriteOneByte(255,0X55);temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
if(temp==0X55)return 0;
}
return 1;
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始读出指定个数的数据
//ReadAddr :开始读出的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer :数据数组首地址
//NumToRead:要读出数据的个数
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead)
{while(NumToRead)
{*pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);
NumToRead--;
}
}
//在 AT24CXX 里面的指定地址开始写入指定个数的数据
//WriteAddr :开始写入的地址 对 24c02 为 0~255
//pBuffer :数据数组首地址
//NumToWrite:要写入数据的个数
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{while(NumToWrite--)
{AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
WriteAddr++;
pBuffer++;
}
}

（4）main.c

//要写入到 24c02 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"MiniSTM32 IIC TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{u8 key;
u16 i=0;
u8 datatemp[SIZE];
delay_init(); //延时函数初始化
uart_init(9600); //串口初始化为 9600
LED_Init(); //初始化与 LED 连接的硬件接口
LCD_Init();
KEY_Init(); //按键初始化
AT24CXX_Init(); //IIC 初始化
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"IIC TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2014/3/9");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"WK_UP:Write KEY0:Read"); //显示提示信息
while(AT24CXX_Check())//检测不到 24c02
{LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"24C02 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"24C02 Ready!");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
while(1)
{key=KEY_Scan(0);
if(key==WKUP_PRES)//WK_UP 按下,写入 24C02
{LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Write 24C02....");
AT24CXX_Write(0,(u8*)TEXT_Buffer,SIZE);
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"24C02 Write Finished!");//提示传送完成
}
if(key==KEY0_PRES)//KEY0 按下,读取字符串并显示
{LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Read 24C02.... ");
AT24CXX_Read(0,datatemp,SIZE);
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20)
{LED0=!LED0;//提示系统正在运行
i=0;
}
}
}

  通过KEY_UP按键来控制24C02的写入，通过另外一个按键KEY0来控制24C02的读取。并在LCD模块上面显示相关信息。

参考资料：
1.STM32系统学习——I2C （读写EEPROM）
2.STM32 IIC详解

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