4. STM32 I2C外设详解：从框图到寄存器配置

I2C总线在嵌入式系统里太常见了。WM8960的配置、音量调节、EQ设置，全得靠它。说白了，I2C就是音频芯片的“控制通道”。

我个人习惯把I2C外设分成三层来理解：物理层（两根线怎么拉）、协议层（起始条件、应答这些时序）、应用层（你要发什么数据）。STM32的I2C硬件把前两层都包了，你只需要关心寄存器怎么配。

4.1 STM32 I2C模块框图解析

先看整体结构。STM32的I2C模块内部其实挺复杂的，但我们可以抓住几个关键部分。

这个框图里，我重点说几个关键模块：

• 时钟控制（CCR）：决定SCL的频率。标准模式100kHz，快速模式400kHz。配错了，通信就乱套。
• 数据寄存器（DR）：你写数据就往这里写，读数据也从这里读。但注意，它背后连着移位寄存器。
• 状态寄存器（SR1/SR2）：这是你查“活干完了没”的地方。比如SB位（起始位发送完成）、ADDR位（地址匹配）、TXE位（发送缓冲区空）、RXNE位（接收缓冲区非空）。
• 自身地址寄存器（OAR1/OAR2）：当STM32作为从机时用。咱们控制WM8960时STM32是主机，这个暂时用不上。

4.2 主发送器模式：怎么把数据发出去

控制WM8960，大部分时间你都在用主发送器模式。你要写配置到某个寄存器地址，流程是这样的：

1. 产生起始条件：设置START位，硬件自动拉低SDA，再拉低SCL。
2. 发送从机地址 + 写位：7位地址左移1位，最低位是0（写）。比如WM8960的地址是0x1A，那你要发0x34。
3. 等待应答：从机拉低SDA表示ACK。如果没收到ACK，说明从机不在线上。
4. 发送寄存器地址：你要写的WM8960内部寄存器编号。
5. 等待应答：同上。
6. 发送数据：你要写入寄存器的值。
7. 等待应答：同上。
8. 产生停止条件：设置STOP位，硬件自动释放SCL，再释放SDA。

代码实现其实不复杂。我贴一段核心的发送流程：

void I2C_WriteByte(uint8_t slaveAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data)
{
    // 1. 产生起始条件
    I2C->CR1 |= I2C_CR1_START;
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_SB));  // 等待起始位发送完成

    // 2. 发送从机地址 + 写位
    I2C->DR = slaveAddr << 1;  // 左移1位，最低位为0
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // 等待地址发送完成
    (void)I2C->SR2;  // 读SR2清除ADDR位，这个坑我踩过

    // 3. 发送寄存器地址
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_TXE));  // 等待发送缓冲区空
    I2C->DR = regAddr;

    // 4. 发送数据
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_TXE));
    I2C->DR = data;

    // 5. 等待发送完成
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_BTF));  // 字节发送完成标志

    // 6. 产生停止条件
    I2C->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
}

4.3 主接收器模式：从WM8960读数据

有时候你需要读WM8960的寄存器，比如查当前音量、查状态。主接收器模式和发送模式类似，但多了个“重复起始条件”。

流程是这样的：

1. 产生起始条件，发送从机地址+写位，发送寄存器地址（告诉从机你要读哪个寄存器）。
2. 产生重复起始条件，发送从机地址+读位。
3. 从机开始发数据，主机接收。
4. 接收最后一个字节前，主机发NACK（告诉从机别发了）。
5. 产生停止条件。

为什么要有重复起始条件？你想想看，如果先发停止条件再重新开始，总线就被释放了，别的设备可能插进来。重复起始条件保证这次操作是原子的。

uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t slaveAddr, uint8_t regAddr)
{
    uint8_t data;

    // 第一阶段：写寄存器地址
    I2C->CR1 |= I2C_CR1_START;
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_SB));

    I2C->DR = slaveAddr << 1;  // 写地址
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_ADDR));
    (void)I2C->SR2;

    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_TXE));
    I2C->DR = regAddr;
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_BTF));

    // 第二阶段：重复起始 + 读数据
    I2C->CR1 |= I2C_CR1_START;  // 重复起始
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_SB));

    I2C->DR = (slaveAddr << 1) | 0x01;  // 读地址
    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_ADDR));
    (void)I2C->SR2;

    // 接收前配置NACK
    I2C->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK;  // 最后一个字节前关ACK

    while(!(I2C->SR1 & I2C_SR1_RXNE));
    data = I2C->DR;

    I2C->CR1 |= I2C_CR1_STOP;  // 停止

    return data;
}

4.4 中断与DMA传输

轮询方式简单，但浪费CPU。你想想看，while循环在那傻等，CPU啥也干不了。实际项目中，我几乎不用纯轮询。

4.4.1 中断方式

STM32的I2C中断事件很多，常用的就几个：

中断事件	标志位	触发时机
起始位完成	SB	起始条件发送成功
地址发送完成	ADDR	从机地址发送完成并收到ACK
发送缓冲区空	TXE	DR寄存器空，可以写下一个数据
接收缓冲区非空	RXNE	DR寄存器有数据可读
字节传输完成	BTF	DR和移位寄存器都空，一帧完成
停止条件	STOPF	停止条件发送完成（从机模式）

中断方式的思路：开启对应中断使能位，在中断服务函数里查状态机。我习惯用一个全局状态变量来跟踪当前处于哪个阶段。

// 中断服务函数示例（简化）
void I2C1_EV_IRQHandler(void)
{
    switch(i2c_state)
    {
        case I2C_STATE_START:
            if(I2C->SR1 & I2C_SR1_SB) {
                I2C->DR = (slaveAddr << 1);
                i2c_state = I2C_STATE_ADDR;
            }
            break;

        case I2C_STATE_ADDR:
            if(I2C->SR1 & I2C_SR1_ADDR) {
                (void)I2C->SR2;  // 清ADDR
                i2c_state = I2C_STATE_DATA;
            }
            break;

        case I2C_STATE_DATA:
            if(I2C->SR1 & I2C_SR1_TXE) {
                if(tx_count < tx_len) {
                    I2C->DR = tx_buffer[tx_count++];
                } else {
                    I2C->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
                    i2c_state = I2C_STATE_IDLE;
                }
            }
            break;
    }
}

4.4.2 DMA方式

如果你要连续发很多数据（比如批量配置WM8960的几十个寄存器），DMA是最爽的。CPU只需要配好DMA通道，然后就可以去干别的事了。

配置要点：

• I2C的TX DMA请求映射到DMA1的某个通道（具体看芯片型号）。
• DMA源地址是你的数据缓冲区，目标地址是I2C->DR寄存器。
• 传输完成后，DMA会产生完成中断，你在中断里发停止条件。

4.5 寄存器配置流程

配I2C外设，我总结了一个“五步法”：

1. 使能时钟：RCC->APB1ENR里开I2C时钟，RCC->AHB1ENR里开GPIO时钟（F4系列）。
2. 配GPIO：SCL和SDA引脚配成开漏输出，复用功能。注意要配上拉电阻。
3. 复位I2C：设置I2C->CR1的SWRST位，等一会再清掉。这个步骤很多人跳过，但我建议别省。
4. 配时序：设置I2C->CR2的时钟频率（比如APB1是42MHz，就写42），设置I2C->CCR的SCL频率（标准100kHz或快速400kHz），设置I2C->TRISE的最大上升时间。
5. 使能I2C：设置I2C->CR1的PE位。

具体代码：

void I2C_Init(void)
{
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;

    // 2. 配GPIO：PB6=SCL, PB7=SDA
    GPIOB->MODER &= ~(0xF << 12);  // 清零
    GPIOB->MODER |= (0xA << 12);   // 复用功能
    GPIOB->AFR[0] &= ~(0xFF << 24);
    GPIOB->AFR[0] |= (0x44 << 24); // AF4 = I2C1
    GPIOB->OTYPER |= (0x3 << 6);   // 开漏输出
    GPIOB->PUPDR &= ~(0xF << 12);
    GPIOB->PUPDR |= (0x5 << 12);   // 上拉

    // 3. 复位I2C
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_SWRST;
    delay_us(10);
    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_SWRST;

    // 4. 配时序
    I2C1->CR2 = 42;  // APB1时钟42MHz
    I2C1->CCR = 210; // 100kHz: 42MHz / (2*210) = 100kHz
    I2C1->TRISE = 43; // 100kHz最大上升时间1000ns, 43 * (1/42MHz) ≈ 1024ns

    // 5. 使能I2C
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;
}

4.6 调试经验与避坑指南

最后分享几个我实际项目中遇到的坑：

• SCL被拉死：如果SCL一直低，说明从机在时钟拉伸。检查从机是否正常工作，或者复位一下I2C总线。
• SDA一直低：可能是从机没释放总线。发9个时钟脉冲可以恢复，我写过专门的恢复函数。
• ACK丢失：地址不对、从机没上电、总线电容太大。我遇到过WM8960的地址搞错，0x1A和0x34傻傻分不清。
• 中断优先级：I2C中断优先级别设太高，否则可能打断其他关键中断。我习惯设成中等优先级。
• DMA与缓存对齐：DMA传输的缓冲区要保证地址对齐，不然会触发硬件错误。