05 I2C 通信（HAL）

目标：通过 I2C1 驱动 OLED 显示屏（SSD1306，地址 0x78）

总线结构

I2C 使用两根线（SDA + SCL）连接多个设备：
  主机 (STM32) ←→ SDA ──────────────────
                   SCL ──────────────────
                         │       │       │
                      从机1    从机2    从机3
                      (OLED)  (传感器)  (其他)
  两根线都必须外部上拉到 VDD（3.3V 或 5V，模块通常自带）

为什么需要开漏+上拉？

I2C 是多主机协议，任何设备都可以拉低总线
开漏输出 + 上拉电阻 = 多个设备可以"线与"（谁拉低谁赢）
SCL 低时改变 SDA，SCL 高时采样 SDA（保证数据稳定）

详细工作原理

内部框图

STM32 I2C 外设包含时钟控制模块（配置 CCR 寄存器设定 SCL 频率）、数据控制模块（管理 SDA 收发移位）、自身地址寄存器（OAR1/OAR2，从机模式地址匹配）以及中断/DMA 控制逻辑。

开漏 + 上拉"线与"逻辑

I2C 物理层核心是开漏输出 + 外部上拉电阻。每个设备的 SDA/SCL 引脚内部为 NMOS 开漏结构：

输出低电平：NMOS 导通，引脚拉到 GND
输出高电平：NMOS 截止，引脚由上拉电阻拉到 VDD

多个设备输出直接"线与"（wired-AND）：只要有一个设备拉低总线，总线即为低电平。这是多主机冲突检测的基础——若两主机同时启动传输，先拉低 SDA 的一方"取胜"，另一方检测到电平不符即判仲裁失败。

ACK / NAK 机制

每字节完成后，接收方在第 9 个 SCL 周期控制 SDA：

ACK：接收方拉低 SDA，表示"收到，请继续"
NAK：接收方释放 SDA（上拉拉高），表示"不再接收"或传输结束

时钟拉伸（Clock Stretching）

从机可主动拉低 SCL 迫使主机等待，用于处理时间不足时（如 EEPROM 正在写入）。从机处理完后释放 SCL，主机自动恢复时钟。

多主机仲裁

两主机同时驱动总线时，各自监测 SDA 电平。若某主机试图拉高 SDA 但检测到实际为低（另一主机正拉低），该主机立即退出仲裁，不干扰胜出方。仲裁过程不丢失数据位。

波特率公式

标准模式下 SCL 频率公式（STM32 I2C）：

f_SCL = f_PCLK1 / (CCR × 2)

CCR 为 I2C 时钟控制寄存器中的 12 位分频值。上升时间要求：标准模式 t_rise_max = 1000 ns，快速模式 t_rise_max = 300 ns。典型值：f_PCLK1 = 36 MHz, CCR = 180 → f_SCL = 100 kHz。

通信时序详解

每一帧 I2C 通信由主机发起：

主机发→从机收（写操作）:
START → [7位地址 + W(0)] → ACK ← 从机 → DATA1 → ACK → DATA2 → ACK → ... → STOP

主机收←从机发（读操作）:
START → [7位地址 + R(1)] → ACK ← 从机 → DATA1 → ACK ← 主机 → ... → NAK ← 主机 → STOP

关键点：

ACK：每字节后接收方拉低 SDA 表示"收到了"——从机发 ACK 确认地址/数据
NAK：读操作的最后，主机不发 ACK 改为拉高 SDA，通知从机"不要发了"
每个字节都是 MSB 先发

7 位地址 → 8 位地址：I2C 规范中从机地址是 7 位，但通信时左移 1 位，最低位表示读写：

0x3C (7 位) → 左移 = 0x78 → 写
0x3C (7 位) → 左移 + 1 = 0x79 → 读

CubeMX 配置

I2C1 → 模式 I2C
参数：
- Speed Mode：Standard Mode (100kHz) — 兼容性好；快速模式 400kHz
- 其他保持默认
引脚自动分配：PB6(SCL)、PB7(SDA)。CubeMX 自动设为开漏输出。

关键 HAL API

函数	说明
`HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c, DevAddr, pData, Size, Timeout)`	主机发送数据到从机
`HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c, DevAddr, pData, Size, Timeout)`	主机从从机接收数据
`HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c, DevAddr, MemAddr, MemAddrSize, pData, Size, Timeout)`	向从机指定寄存器写入
`HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c, DevAddr, MemAddr, MemAddrSize, pData, Size, Timeout)`	从从机指定寄存器读取

DevAddr = 7 位地址左移 1 位，例如 0x3C << 1 = 0x78。

完整代码：OLED（SSD1306）基本驱动

SSD1306 的控制字节格式：Co(1) | D/C#(1) | 0(6)。其中：

0x00 = 后续字节是命令（Co=0, D/C#=0）

0x40 = 后续字节是数据（Co=0, D/C#=1）

/* 写命令 */
static void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd)
{
uint8_t data[2] = {0x00, cmd};   // 控制字节 + 命令
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x78, data, 2, HAL_MAX_DELAY);
}

/* 写数据 */
static void OLED_WriteData(uint8_t dat)
{
uint8_t data[2] = {0x40, dat};   // 控制字节 + 数据
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x78, data, 2, HAL_MAX_DELAY);
}

/* 初始化 —— 按功能分组注释 */
static void OLED_Init(void)
{
HAL_Delay(100);                  // 等待 SSD1306 上电稳定

OLED_WriteCmd(0xAE);             // [1] 关闭显示（配置期间保持关闭）

OLED_WriteCmd(0xD5);             // [2] 振荡器频率
OLED_WriteCmd(0x80);
OLED_WriteCmd(0xA8);             // [3] 多路复用比 (MUX)
OLED_WriteCmd(0x3F);             //     128×64: MUX=63
OLED_WriteCmd(0xD3);             // [4] 显示偏移
OLED_WriteCmd(0x00);
OLED_WriteCmd(0x40);             // [5] 起始行 = 0
OLED_WriteCmd(0x8D);             // [6] 电荷泵
OLED_WriteCmd(0x14);             //     使能（内部升压到 ~7V）
OLED_WriteCmd(0x20);             // [7] 内存地址模式
OLED_WriteCmd(0x00);             //     水平模式
OLED_WriteCmd(0xA1);             // [8] 段重映射（列 127→SEG0）
OLED_WriteCmd(0xC8);             // [9] COM 扫描方向（从上到下）
OLED_WriteCmd(0xDA);             // [10] COM 引脚配置
OLED_WriteCmd(0x12);
OLED_WriteCmd(0x81);             // [11] 对比度
OLED_WriteCmd(0xCF);
OLED_WriteCmd(0xD9);             // [12] 预充电周期
OLED_WriteCmd(0xF1);
OLED_WriteCmd(0xDB);             // [13] VCOMH 电压
OLED_WriteCmd(0x40);
OLED_WriteCmd(0xA4);             // [14] 全局显示恢复
OLED_WriteCmd(0xA6);             // [15] 正常显示（非反色）
OLED_WriteCmd(0x2E);             // [16] 停止水平滚动
OLED_WriteCmd(0xAF);             // [17] 开启显示！
}

清屏（逐个像素写入 0x00）：

static void OLED_Clear(void)
{
    for (uint8_t page = 0; page < 8; page++)     // 128×64 = 8 pages × 128 cols
    {
        OLED_WriteCmd(0xB0 + page);  // 设置页地址
        OLED_WriteCmd(0x00);         // 列低位
        OLED_WriteCmd(0x10);         // 列高位
        for (uint8_t col = 0; col < 128; col++)
            OLED_WriteData(0x00);    // 该列全部熄灭
    }
}

I2C 读操作示例（以读取传感器寄存器为例）

uint8_t reg_addr = 0x00;
uint8_t value;

/* 写寄存器地址（不发送 STOP，而是 Repeated Start）:
   发 START→从机地址+W→ACK→寄存器地址→ACK → (Repeated Start)
   发 START→从机地址+R→ACK→接收数据→NAK→STOP
*/
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x78, reg_addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value, 1, HAL_MAX_DELAY);

常见坑点

⚠️ I2C 引脚必须设为开漏输出（CubeMX 自动配置，不要手动改）
⚠️ 地址左移 1 位：SSD1306 7 位地址 0x3C → HAL 中传 0x78
⚠️ SDA/SCL 外部必须有上拉电阻（大多数模块自带 4.7kΩ 上拉到 VDD）
⚠️ 如果总线卡死（SDA 一直为低），可复位从机或重新初始化 I2C 外设
⚠️ STM32F1 的 I2C 硬件有已知 BUG（总线错误标志误触发），新版 HAL 已修复

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