STM32 I2C硬件的结构

引子

STM32的硬件I2C很多人都对它望而却步。因为很多电工都说，STM32 硬件 I2C有BUG、不稳定、死机等等……最后都使用GPIO模拟I2C。

的确，模拟I2C好用。但是在我看来在一个72M的Cortex-M3的MCU上这样做非常不妥。一般来说I2C是一种慢速总线，就算工作在400kHz的快速模式上，I2C传送每个字节仍需要至少23us——还没有计算地址、起始信号和结束信号的发送。如果使用GPIO模拟的I2C，这23us的CPU时间都在空转中浪费了，而这23us已经可以做不少的事情了，所以在STM32上I2C还是使用硬件为佳——虽然它多多少少有点缺陷。

这篇文章不是给完全没有接触过STM32 硬件I2C的新手看的，看这篇文章之前至少先阅读STM32的参考手册(RM0008)。

概览

我们先来看一下STM32 I2C硬件的结构  

我们可以看见STM32的硬件I2C有两个和数据有关的寄存器“数据寄存器(Data register)”(DR)和“数据移位寄存器(Data shift register)”(DSR)，我们的软件写入的是DR， DSR用于I2C数据的移位发送和接收，DR和DSR的数据交换由硬件控制——发送时DSR为空，DR不为空时，硬件自动把DR的数据写进DSR；接收时DR为空，DSR不为空，硬件自动把DSR数据写进DR。连续数据传输时，这样两个寄存器的数据交换使得软件读出和写入DR不会影响I2C总线中的数据接收和发送，使I2C的效率更高，这看起来十分美好，但是正是这个特点在某些情况下会变成电工们的噩梦。原因有二。

1、硬件上，DR和DSR的交换机制存在缺陷。 2、软件上，因为DR和DSR一共能容纳两个字节的数据，导致接收时候NACK的设置有一定的不可预料性。

硬件

硬件I2C上的缺陷，新版英文ErrSheet已经写得很清楚，就不引用了，这里只简单说说要点和一些个人总结。

1、EV7, EV7_1, EV6_1, EV6_3, EV2, EV8 和 EV3 必须在当前字节传输前处理完成，不然，有可能会导致数据出错。

这几个事件都涉及到DR和DSR，个人猜测(主要是有个”may be”才敢猜测)可能是读出或者写入DR的同时DSR被填满或清空，导致数据出错。理想情况下“读出或者写入DR的同时DSR被填满或清空”是不可能发生的，中断一来临的时候，CPU马上处理中断请求，读出或者写入DR数据，这时DSR的数据还是“新鲜滚热辣”的，可能连一位都没有接收或发送。但是，在实际使用时，可能有别的中断优先级比I2C的事件中断要高，I2C事件没有及时处理而出现了上述的情况。所以，ST建议把I2C的事件中断设置成最高优先级。

2、产生STOP前DSR必须为空，不然，会导致DSR里的数据左移一位。

这个没什么好说的，就是一个硬件的BUG，保证发送STOP前DSR没有数据就可以了。

3、总线上，开始条件(S)后没有进行数据传输就马上设置停止条件(P)，或者S后忘记P会导致硬件I2C不能再次产生S，必须软复位I2C。

这个ST解释成是，STM32严格按照了I2C的标准，S之后没有数据传输是不能P的。其实这点可以体谅，但是，这点如果没有处理好，总线上的错误会导致STM32 I2C陷入瘫痪。

软件

由于DR和DSR的存在，编程上需要一些技巧，新版英文ErrSheet和参考手册(RM0008)都有相关的操作介绍(Closing the communication)，排除硬件上的缺陷，编程的难点主要在接收时如何可靠地设置NACK上。

在只有DSR的MCU上设置NACK是非常简单的，在读出倒数第二个数据前设置一下就可以了，但是个方法在似乎在STM32上行不通，因为STM32有DR和DSR，在倒数第二个数据被接收的时候(RxNE置位)，马上设置NACK，理想情况下没有任何问题，NACK也被正确的发送，但是如果有其他更高优先级的中断打断了这个过程，NACK就不能及时设置，导致从器件收到的是ACK没有释放总线……

ST提供的资料上(笔者所见)，给电工们的建议。

1、接收2个字节或1个字节时，切换GPIO模式为OD，然后软件下拉SCL引脚，使硬件I2C发生时钟延展，把下一个字节开始传输的时机延后，设置完NACK后，再把GPIO设置回AFOD，但是这只能解决小于两个字节的接收。

2、大于2个字节用DMA，DMA可以说是特效药，“屡试不爽”。不过要注意，接收大于或等于2个字节时才能使用DMA，不然不能产生EOT-1事件导致NACK不能正确发送。

3、设置I2C事件中断为最高优先等级。

方案

读到这里你可能会想，硬件有缺陷，软件也得这么“猥琐”，可以说是寸步难行。真的没有其他办法了吗？其实，我们可以把DR和DSR两个当一个用，全部判断BTF，不理会TxE和RxE，用时间来换稳定性，慢点就慢点总比没得用好。发送时：开始，发送写地址，器件应答，清ADDR，一字节数据到写DR，硬件把DR数据写入到DSR，当DSR传输完毕时，DR也为空，BTF置位，这时我们再写一字节数据到DR，如此循环，最后一次BTF置位的时候发送P或者重起始（R）。这样操作，“硬件把DR数据写入到DSR”执行的时间是我们可以预料的，不存在上面提及的冲突问题。接收时：1、接收一个字节：按照ST给的方法。开始，发送读地址，器件应答，清ADDR前软件下拉SCL，写完NACK、STOP和DR后软件再释放SCL。RxNE时读DR。 2、接收两个字节：也是按照ST的方法。开始，发送读地址，器件应答，设置POS和ACK，下拉SCL，清ADDR，设置NACK，释放SCL。BTF时，软件拉低SCL，发送STOP，读DR，释放SCL，再读DR。 3、接收两个以上字节：开始，发送读地址，器件应答，直接清ADDR。BTF时，读DR一次。再BTF，再读DR一次，如此循环。倒数第二次BTF时设置NACK(注意DR和DSR各有一字节的数据)，读DR一次。再等到最后一次BTF时，软件拉低SCL，发送STOP，读DR，释放SCL，再读DR。 4、请注意在读取SR2到操作其他I2C寄存器期间使用软件产生时钟延展。2016.02.03  thx:iguesser

干扰

当总线空闲时，无论是SCL的跳变(电平高低高)，还是SDA的跳变，都会导致STM32的硬件I2C瘫痪，不能产生下一个S。当总线正在传输数据时，总线上的信号干扰对STM32的硬件I2C来说是致命的。

1、空闲时SDA跳变，会产生一个S和一个P，幸好这个P会产生一个中断，我们可以用一个收到P就软复位硬件I2C的策略。这样能避免空闲时SDA跳变带来的干扰。

2、空闲时SCL跳变，这是一个I2C的错误信号，但是STM32却会认为这是一个S，所以SCL跳变会导致BUSY置位，而且不会像SDA跳变那样会产生一个P中断。如果在单主的情况下，你可以为I2C的S做一个超时，超时了就软复位I2C就可以，当然最简单的方法还是空闲时关闭I2C(PE置零)。在多从机的情况下，只能等待别的主机发送的一个P，或者伺机软复位。

3、传输途中因干扰，产生总线错误(BERR)。单主接收途中出现BERR，可以在关闭硬件I2C后，连续模拟产生9个以上的SCL，在保证SDA为高电平的情况下软复位I2C。

4、传输途中因干扰，导致仲裁丢失(ARLO)。单主时和BERR的处理方法相同。

其他

还有什么值得注意的?

很多电工们反映，上电也是一个大问题，I2C一上电就马上BUSY了，第一次的S都不能发送，我是没有遇上这个问题。Google了一下很多都说是初始化顺序的问题。说说我的初始化吧，打开I2C外设的时钟、打开I2C引脚所在的GPIO的时钟、配置 GPIO_AF_OD、 I2C_DeInit、 I2C_Init、 I2C_Cmd，没有什么特别。还有一种可能就是，上电时上电的脉冲干扰了总线，导致某个从设锁死了总线(拉低了SDA)导致的BUSY置位，这个可以用处理BERR的方法，使总线恢复正常。(2012 Jun 6)

总线上的P产生后最好不要配置CR1的ACK位。STOP发送后配置ACK位——作为主机接收最后一字节时需要发送NACK，同时我们需要响应自己的从机地址，这时需要重新配置ACK为”1″——有可能导致下一次作为主机通信发送地址时，硬件不发送地址而直接发送P——这应该是一个硬件BUG，暂时还没有看见相关资料——具体表现为EV6死循环。推荐的做法是设置P前，软件下拉SCL，设置P，设置ACK，释放SCL，这样总线上的P将在释放SCL后产生。(2012 Jul 3)

总结

这些都是我调STM32硬件I2C的一些心得。上文提及到的中断接收和发送方法，我用TIM自动更新，产生最高占先优先级的中断，并在中断里停留70us左右，且重装载值是一个素数的情况下，STM32F103VET6 400kHz的I2C跑了近一周没有发现数据错误。

至此，STM32 I2C的问题基本解决，欢迎广大电工们指正、反馈。