关于STM32的I2C硬件DMA实现

Posted 2022-12-26 liming0931

 

关于STM32的I2C硬件DMA实现

 

 

网上看到很多说STM32的I2C很难用，但我觉得还是理解上的问题，STM32的I2C确实很复杂，但只要基础牢靠，并没有想象中的那么困难。

那么就先从基础说起，只说关键点，不涉及代码。

首先说I2C这个协议：协议包括START、ACK、NACK、STOP。尽管协议中规定START必须，其他几个非必须，但实际上其他三个仍旧非常重要。

主发从收：主 START -> 主发地址 -> 从 ACK -> (主发数据 -> 从 ACK (循环)) -> 主 STOP 或 主 START 启动下一次传输

这一过程中，主控SCL线，从只在ACK时控SDA线，其他时刻主控SDA线。

主收从发：主 START -> 从发地址 -> 主 ACK -> (从发数据 -> 主ACK (循环)) -> 接受至最后一个字节时，主 NACK -> 主 STOP 或 主 START 启动下一次传输

在这一过程中，主 START、主 ACK 时，主控总线；从发ACK时，主控SCL线，从控SDA线；在主接受数据时，虽然由主设备产生时钟，但从设备在数据未准备好时，拉低SCL线，这样主设备可知从设备未发送数据，从设备在数据准备好，可以发送的时候，停止拉低SCL线，这时候才开始真正的数据传输，换句话说，虽然时钟是由住设备产生，但在总线上未必就有时钟存在，这期间可以看做是从设备在控总线；当发送到最后一字节的时候，主设备发送NACK，从设备接受后，放弃对总线的控制。

STOP在单主环境下非必要，但在多主环境就非常必要，主控总线的设备发送STOP后，通知总线其他设备总线已经闲置。

以前的老器件很容易导致总线死锁，但现在的产品很多都带有超时机制，所以总线被锁的情况基本不怎么存在了。

下面要说的是STM32的寄存器，状态寄存器有两个，事件、错误状态一堆，看起来确实都算是有用，但实际使用的时候未必都要用到，还是要看情况，那么状态寄存器的清除就是个问题，有两个方法，一个是PE位禁止，不过除非在通讯结束，否则会扰乱总线上的电平，后果未知，争取的方法是：对于普通事件，先读SR1，再读SR2，如果是错误，那么就要再增加一个将SR1写 0 。想简单的话，那就用一个32位无符号整形，先读SR1，然后或上SR2左移16，再将SR1写 0，最后用这个变量和ST公司提供那个库中的状态比对就行了。

STM32的I2C和其他模块有些不同，其他模块完全可以交给DMA控制器，但I2C不行，必须结合中断或者IO方式，不建议IO方式，得等，万一出点岔子，被狗咬就麻烦了，所以最佳方式是结合中断。

主发时：PE位使能，PE位必须先使能，否则你操作不了其他位，然后使能ACK位，ITEVTEN位，DMA位，使能START位(这几个位可以同时置)，然后进入事件中断，判断 I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT ，将从地址写入 DR 寄存器，这里需要注意一点，就是从设备应答后，如果主设备不读状态寄存器，那么主设备就不会继续发送时钟来传输数据！这时候就体现出使用中断方式的另外一个好处，每次进中断的时候状态寄存器都要被读一下，不符合处理条件的你可以不管，但模块操作可以正确进行下去。数据开始传输时，控制就基本完全交给DMA控制器了，这时候一般也不会有什么状态中断产生，当然也不是绝对没有，有可能会有错误中断，也可能会由于MCU过忙产生事件中断，但这个事件一般影响不大，出错的时候你可能要处理一下。当数据传输完成后，会产生一个 I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED，注意这个不是只在数据传输完成才有！如果MCU过忙，DMA在I2C传输完上一个数据时，没能将下一个数据送到I2C，也会产生，这个事件只代表I2C位移寄存器内的数据被传完，而DR寄存器又没有被写入新的数据！所以，在这个状态产生的时候，要判断一下DMA的CNDTR寄存器，这是个递减的，如果是 0 ，那么就代表完成，可以去掉I2C的ACK位，使能STOP；或者是START进入下一轮数据传输。当然你不管也行，单主控下这不是必须的。

主收时：前面和主发时一样，但有一点要特别注意，那就是主控寄存器的LAST位，这个我在ST的库中没找到设置的函数，也可能是我没看仔细，反正我都是直接寄存器操作，不用库，除非是库中一些现成的状态可以用一下。这个位很重要，如果你只是一轮DMA传输，那么这个必须被置位，因为传输到最后一个字节的时候，主控需要发出NACK而不是ACK来通知从设备释放对总线的控制！LAST位就是做这个用的。主收的时候，传输完成就不是依靠I2C的事件中断来判断了，这个要通过DMA的IT_TC来完成，DMA中断产生后，做一下结束处理工作，最后别忘了清DMA的中断标志，不然会死循环在里面。

从发和从收这次就先不写了，相对简单一些，而且我感觉用的一般也不多吧，等有时间下次再写，另外再说一下，采用这种DMA+中断的方式，可以不去处理错误，操作开始的时候置一个标志，结束的时候清标注，在主程序中判断，如果超过一定时间标志还在那，那么就要考虑重置I2C了，一方面是错误状态太多……我真的判断不过来，也可能我比较懒吧，都给统一处理了。还有一个建议就是尽量采用STM32的硬件位域操作，因为一方面你有些操作要在主程序里，一些操作要在中断里，通常的读再写可能会导致错乱，位域操作就不会，即使不错乱，如果总线上产生错误，那么在操作某些位的时候会卡死在那，位域操作也不会卡死。

附一个位域操作宏

#define BITBAND_ADDRESS(x) (((x) & 0xF0000000) + 0x02000000 + (((x) & 0xFFFFF) << 5))
#define BITBAND(x,bit) (*(volatile uint32_t*)(BITBAND_ADDRESS((uint32_t)&(x)) + ((bit) << 2)))

使用 BITBAND(x,bit)，x 代表 寄存器，bit 代表是操作哪个位。单独的一个位会被展开成一个32位整形，当然，你只能写 1 或 0