--- tags: [source-summary] type: source source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（基础篇）V1.0.2 — 第9章：I2C通信 + 配套代码13~15" author: "尚硅谷研究院" date: 2026-07-15 created: 2026-07-15 --- # I2C通信与EEPROM 24C02 > **用生活理解**：I2C 就像教室里的传纸条游戏——SCL 是老师拍手的节奏（时钟线），SDA 是传的纸条（数据线）。老师每拍一次手（时钟周期），大家就传递一位。每个同学有唯一的学号（设备地址 7 位），老师喊学号时对应同学才回答。STOP 条件就像下课铃——老师拍手节奏变了，表示传纸条结束。 --- ## I2C 协议基础 I2C（Inter-Integrated Circuit，读作 I-squared-C）是一种**同步、半双工、多主从**的串行通信总线，由 Philips 公司（现 NXP）发明。 | 特性 | 说明 | |------|------| | **线数** | SCL（时钟）+ SDA（数据）两根线 | | **模式** | 半双工（同一时刻只能单向传输） | | **速率** | 标准 100Kbps / 快速 400Kbps / 高速 3.4MHz | | **主从** | 多主多从（通过仲裁解决冲突） | | **地址** | 7 位地址（最多 127 个设备）或 10 位地址 | | **上拉电阻** | 两根线都需要外部上拉电阻（4.7KΩ 典型） | > **参考**：参考手册 §16（I2C 寄存器描述） > **参考**：NXP I2C 总线规范（UM10204） ### I2C 时序协议详解 #### 空闲状态 SCL 和 SDA 都是高电平（由上拉电阻拉高）。 #### 起始条件（Start Condition） ``` SCL 为高电平时，SDA 从高电平切换到低电平 ``` **代码实现**： ```c SCL_HIGH; // SCL = 1 SDA_HIGH; // SDA = 1 I2C_DELAY; // 等待（数据建立时间） SDA_LOW; // SDA = 0 → 起始条件（在 SCL 高电平时 SDA 变低） I2C_DELAY; // 等待（保持时间） ``` #### 停止条件（Stop Condition） ``` SCL 为高电平时，SDA 从低电平切换到高电平 ``` **代码实现**： ```c SCL_LOW; // SCL = 0（准备） SDA_LOW; // SDA = 0 SCL_HIGH; // SCL = 1 I2C_DELAY; SDA_HIGH; // SDA = 0 → 1 → 终止条件（在 SCL 高电平时 SDA 变高） I2C_DELAY; ``` #### 数据字节传输 每个字节 8 位，MSB（最高位）先发。SCL 低电平时允许 SDA 变化，SCL 高电平时 SDA 必须**稳定**（接收方采集数据）。 ``` SCL: ████░░░░████░░░░████░░░░....████░░░░██ SDA: ██░░██░░██░░██░░ ██░░██░░ ↑MSB ↑LSB SCL低时SDA可以变 SCL高时采集 ``` #### 应答（ACK/NACK） 每个字节后，接收方在第 9 个 SCL 周期控制 SDA： - **ACK**：SDA 拉低（表示"收到，继续"） - **NACK**：SDA 释放（高电平，表示"收完"或"不再接收"） ``` 主机发送8位数据后: 主机释放SDA → 从机在第9个SCL脉冲拉低SDA → 应答(ACK) ``` ### I2C 完整通信流程 **主机写数据到从机**： ``` START + 7位从机地址 + R/W(0=写) + ACK + 数据1 + ACK + 数据2 + ACK + ... + STOP ``` **主机从从机读数据**： ``` START + 7位从机地址 + R/W(1=读) + ACK + 从机发数据1 + 主机ACK + ... + 从机发数据N + 主机NACK + STOP ``` **组合格式（先写地址再读）**： ``` START + 从机地址(W) + ACK + 寄存器地址 + ACK + RESTART + 从机地址(R) + ACK + 数据 + NACK + STOP ``` --- ## I2C 硬件电路设计 ```ascii VCC(3.3V) VCC(3.3V) ├── Rpu(4.7KΩ) ├── Rpu(4.7KΩ) │ │ ├──── SCL ─────────┤ │ PB10 │ 24C02 SCL ├──── SDA ─────────┤ │ PB11 │ 24C02 SDA │ │ GND ────────────── GND ``` I2C 总线需要外部上拉电阻（典型值 4.7KΩ），因为 I2C 引脚使用**开漏输出**： - 输出低电平：N-MOS 导通，拉低总线 - 输出高电平：N-MOS 截止，靠上拉电阻拉高（开漏原理） - 这种设计允许多个设备"线与"（任意设备可拉低总线） > **参考**：开发板原理图 I2C 接口部分（24C02 电路） > **参考**：参考手册 §16（I2C 寄存器） --- ## 24C02 EEPROM 详解 24C02 是一个 **2Kbit（256 字节）** 的 I2C 串行 EEPROM。 | 参数 | 值 | |------|-----| | 容量 | 256 字节（2Kbit） | | 页大小 | **8 字节**（一次页写最多 8 字节） | | 写周期 | 5ms（内部擦写时间，期间不响应） | | I2C 地址 | 0xA0（写）/ 0xA1（读） | | 地址引脚 | A0/A1/A2（可配置，最多 8 个同型号设备共用总线） | | 工作电压 | 1.8V~5.5V | | 接口 | I2C（标准/快速模式） | **地址计算**： ``` 设备地址 = 1010 + A2 + A1 + A0 + R/W [7:4] [3] [2] [1] [0] 1010 0 0 0 0/1 写地址 = 1010 0000 = 0xA0 读地址 = 1010 0001 = 0xA1 ``` **页写注意事项**：24C02 的页大小为 8 字节，一次页写操作只能在**同一页内**。如果尝试跨页写入（如从地址 0x07 开始写 3 字节），地址会**自动卷回**到页开头（地址 0x00），覆盖已有数据。跨页时必须**手动分页写入**。 --- ## 实验：软件模拟 I2C 读写 24C02 ### 软件设计（寄存器版 — 软件模拟 I2C） **项目路径**：`stm32_base/13_i2c_software_register` **文件：`stm32_base/13_i2c_software_register/Hardware/I2C/i2c.h`** ```c #ifndef __I2C_H #define __I2C_H #include "stm32f10x.h" #include "usart.h" #include "delay.h" // PB10=SCL, PB11=SDA #define SCL_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR10) #define SCL_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR10) #define SDA_HIGH (GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR11) #define SDA_LOW (GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR11) #define READ_SDA (GPIOB->IDR & GPIO_IDR_IDR11) #define ACK 0 #define NACK 1 #define I2C_DELAY Delay_us(10) void I2C_Init(void); void I2C_Start(void); void I2C_Stop(void); void I2C_Ack(void); void I2C_NAck(void); uint8_t I2C_Wait4Ack(void); void I2C_SendByte(uint8_t byte); uint8_t I2C_ReadByte(void); #endif ``` **文件：`stm32_base/13_i2c_software_register/Hardware/I2C/i2c.c`** ```c #include "i2c.h" void I2C_Init(void) { RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_MODE10 | GPIO_CRH_MODE11); GPIOB->CRH &= ~(GPIO_CRH_CNF10_1 | GPIO_CRH_CNF11_1); GPIOB->CRH |= (GPIO_CRH_CNF10_0 | GPIO_CRH_CNF11_0); } void I2C_Start(void) { SCL_HIGH; SDA_HIGH; I2C_DELAY; SDA_LOW; I2C_DELAY; } void I2C_Stop(void) { SCL_HIGH; SDA_LOW; I2C_DELAY; SDA_HIGH; I2C_DELAY; } void I2C_Ack(void) { SDA_HIGH; SCL_LOW; I2C_DELAY; SDA_LOW; I2C_DELAY; SCL_HIGH; I2C_DELAY; SCL_LOW; I2C_DELAY; SDA_HIGH; I2C_DELAY; } void I2C_NAck(void) { SDA_HIGH; SCL_LOW; I2C_DELAY; SCL_HIGH; I2C_DELAY; SCL_LOW; I2C_DELAY; } uint8_t I2C_Wait4Ack(void) { SDA_HIGH; SCL_LOW; I2C_DELAY; SCL_HIGH; I2C_DELAY; uint8_t ack = READ_SDA; SCL_LOW; I2C_DELAY; return ack ? NACK : ACK; } void I2C_SendByte(uint8_t byte) { for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { SCL_LOW; I2C_DELAY; if (byte & 0x80) SDA_HIGH; else SDA_LOW; I2C_DELAY; SCL_HIGH; I2C_DELAY; SCL_LOW; I2C_DELAY; byte <<= 1; } } uint8_t I2C_ReadByte(void) { uint8_t data = 0; for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { SDA_HIGH; SCL_LOW; I2C_DELAY; SCL_HIGH; I2C_DELAY; data <<= 1; if (READ_SDA) data |= 0x01; SCL_LOW; I2C_DELAY; } return data; } ``` **文件：`stm32_base/13_i2c_software_register/User/main.c`** ```c #include "usart.h" #include "m24c02.h" #include int main(void) { USART_Init(); M24C02_Init(); printf("尚硅谷 I2C 软件模拟实验...\n"); M24C02_WriteByte(0x00, 'a'); M24C02_WriteByte(0x01, 'b'); M24C02_WriteByte(0x02, 'c'); uint8_t byte1 = M24C02_ReadByte(0x00); uint8_t byte2 = M24C02_ReadByte(0x01); uint8_t byte3 = M24C02_ReadByte(0x02); printf("%c\n%c\n%c\n", byte1, byte2, byte3); M24C02_WriteBytes(0x00, "123456", 6); uint8_t buff[50] = {0}; M24C02_ReadBytes(0x00, buff, 6); printf("%s\n", buff); memset(buff, 0, sizeof(buff)); M24C02_WriteBytes(0x05, "1234567890abcdefghijk", 21); M24C02_ReadBytes(0x00, buff, 21); printf("%s\n", buff); while (1) {} } ``` --- ## 软件设计（HAL 库版 — 硬件 I2C） HAL 库使用结构体 `I2C_HandleTypeDef` 管理 I2C 外设，CubeMX 图形化配置后调用函数读写 EEPROM。 ```c // HAL 库 I2C 写 24C02（Mem_Write 自动处理 START+地址+数据+STOP） uint8_t data = 0x55; HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, 100); // 参数: hi2c句柄, 设备地址(7位+写), 存储器地址, 地址宽度, 数据指针, 数据长度, 超时ms // 等待页写入完成（超时重试或轮询 ACK） HAL_Delay(10); // HAL 库 I2C 读 24C02 uint8_t read_val; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA0, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &read_val, 1, 100); // 自动处理: START+写地址+寄存器地址+RESTART+读地址+数据+NACK+STOP printf("HAL I2C Read: 0x%02X\r\n", read_val); ``` ## 核心函数速查表 | I2C 操作 | 软件模拟 | HAL 库 | |----------|---------|--------| | 初始化 | `I2C_Init()` | `HAL_I2C_Init()` | | 写 EEPROM | `I2C_Start/SendByte/Stop` 组合 | `HAL_I2C_Mem_Write(addr, mem_addr, data, len, timeout)` | | 读 EEPROM | `Start+写地址+寄存器地址+RESTART+读地址+数据+NACK+Stop` | `HAL_I2C_Mem_Read(addr, mem_addr, data, len, timeout)` | | 发送字节 | `I2C_SendByte(byte)` | —（底层封装在 HAL 中） | | 读取字节 | `I2C_ReadByte()` | —（底层封装在 HAL 中） | | 等待应答 | `I2C_Wait4Ack()` | —（自动处理） | | 发应答/非应答 | `I2C_Ack()` / `I2C_NAck()` | —（自动处理） | ## 常见问题与避坑 1. **I2C 总线卡死（SDA 一直被拉低）** → 从机异常，连续发 9~18 个 SCL 脉冲让从机释放 SDA，然后发 STOP 2. **NACK 持续（从机不应答）** → 检查设备地址（7 位+读写位是否正确）、上拉电阻是否焊接、SCL 频率是否太高 3. **24C02 写入后读回不对** → 页写跨页溢出（每页 8 字节，跨页自动卷回！），需分页写入或逐字节写 4. **写操作后需等待** → 24C02 需要约 5ms 内部写周期，在此期间不响应任何 I2C 操作 5. **组合格式（先写后读）** → 中间的 RESTART 不是 STOP+START，必须用 `I2C_Start()` 但不先发 `I2C_Stop()` 6. **延时偏短导致时序异常** → I2C_DELAY 不够时增加（10us→20us），标准模式至少 5us 半周期