摘要：串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一个显著特点,其中Philips公司推出的I2C总线最为著名。ST9+系列是意法半导体公司的单片机产品,能够很好地支持I2C总线协议。本文以ST9+单片机为例阐述I2C总线协议,并给出在ST9+单片机上实现I2C总线驱动程序的流程和方法。

    关键词：I2C总线 串行扩展总线 ST9+ 总线驱动

串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一个显著特点,其中Philips公司推出的 I2C总线最为著名。I2C总线最显著的特点是规范的完整性、结构的独立性和用户使用时的简单化。 I2C总线有严格的规范,如接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义、总线状态设置、总线管理规则及总线状态处理等。与并行扩展总线相比,串行扩展总线有突出的优点：电路结构简单,程序编写方便,易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化等。

　　目前I2C总线技术已为许多著名公司所采用,并广泛应用于视频、音频系统中。推广I2C总线技术将有助于提高我国单片机应用开发水平。意法半导体公司（SGS-THOMSON）是全球十大半导体制造商之一,其领先单片机产品ST9+系列是目前功能比较全面且支持通信协议较多的一款产品,支持包括I2C、USB在内的多种通信协议。本文以ST9+系列单片机中的ST92163为例,阐述其对I2C总线的支持方式,并给出在ST92163单片机上实现I2C总线协议的程序流程和方法。

1 ST9+系列单片机结构及其对I2C总线的支持

1.1 ST9+系列单片机的结构和特点

　　ST92163单片机是ST9+系列单片机中的典型产品,如图1所示。本文以该款单片机为例介绍ST9+系列产品。该产品为8位/16位兼容单片机,片内含20 KB的ROM和2 KB的RAM,主频24 MHz,拥有256个寄存器,最大内存寻址4 MB,支持I2C、SPI以及USB在内的多种串行通信协议,在视频、音频等方面具有广泛的应用。其256个寄存器分为224个通用寄存器、16个系统寄存器和16个页寄存器。其中16个页寄存器对应64页,可通过改变当前页来切换不同功能的16个页寄存器。

1.2 ST9+系列单片机对I2C总线的支持

　　ST9+支持2种模式的I2C总线,包括100 kHz的标准I2C模式和400 kHz的快速I2C模式。同时ST9+系列单片机也支持7位和10位2种长度的地址码,并采用DMA的方式使对单片机处理时间的占用降到最小。除此之外,ST9+为支持I2C总线协议还具备以下特征：内部并行总线与I2C串行总线的转换、总线上多主器件的支持和接收或者发送标志产生、发送或接收数据完毕标志产生、发送过程中错误检测以及支持错误发生后产生中断等。

　　针对主器件模式,ST9+系列单片机还增加了总线时钟产生、总线忙标志产生、开始位标志检测、总线仲裁丢失标志产生以及开始和结束标志产生等特征。而针对从设备,ST9+也有相关特征支持,包括有停止位标志检测、设备地址编程、发送错误检测、数据发送或接收完毕标志产生和开始或结束错位检测等特征。

　　ST9+系列单片机中实现I2C总线协议的寄存器共有16个,如图2所示。其中初始化寄存器6个,包括I2C自地址寄存器I2COAR1和I2COAR2、地址调用寄存器I2CADR、时钟控制寄存器I2CCCR和I2CECCR以及控制寄存器I2CCR;数据发送和接收寄存器4个,包括数据寄存器I2CDR、控制寄存器I2CCR、状态寄存器I2CSR1和I2CSR2;I2C相关中断和DMA寄存器7个,包括中断状态寄存器I2CISR、中断掩码寄存器I2CIMR、中断向量寄存器I2CIVR、接收DMA地址指针寄存器I2CRDAP、接收DMA事务计数寄存器I2CRDC、发送DMA地址指针寄存器I2CTDAP以及发送DMA事务计数寄存器I2CTDA。这16个寄存器均为页寄存器,并放在同一页中。

　　以上寄存器中,数据寄存器I2CDR、控制寄存器I2CCR、状态寄存器I2CSR1和I2CSR2是最基本的4个寄存器,通过这4个寄存器的设置可以实现基本的发送和接收数据的功能。这4个寄存器的具体情况如图3、4、5所示。

　　PE为外设使能位,ENGC为从设备模式使能位,START为开始标志使能位,ACK为响应使能位,STOP为结束标志使能位,ITE为中断使能位。

　　EVF为事件标志位,ADD10为10位长度地址位,TRA为区别发送或接收状态位,BUSY为总线忙标志位,BTF为数据传输结束标志位,ADSL为从设备地址匹配标志位,M/SL为区别主从设备位,SB为开始标志位。

ADDTX为地址应答标志位,AF为应答失败标志位,STOPF为从设备检测到停止标志位,ARLO为总线仲裁丢失标志位,BERR为总线忙错误标志位,GCAL为普通地址调用匹配标志位。

    I2C数据寄存器I2CDR为存放待发数据或接收到数据的缓冲区,在下一个要发送或者接收的字节数据到来之前必须清空。

2 程序实现

2.1 编译工具

　　ST9+系列单片机I2C总线协议驱动程序采用ANSI C语言编写,使用GNU组织的GCC编译器编译、链接生成所需要的十六进制文件。

　　GCC编译器是自由软件组织发布的多平台支持的C语言编译器,ST9+系列单片机编程使用的GCC9版本,包括了用于C语言编译的CC9、用于汇编语言编译的GAS9、用于链接的LD9和宏汇编解释器TR9等模块。图 6 为GCC9编译、链接流程图。

2.2 程序设计及流程

　　为了实现简单的数据发送和接收功能,定义以下几个函数：对I2C主要寄存器初始化的I2C_INIT函数、发送数据的I2C_TX函数、接收数据的I2C_RX函数、发送从设备地址的I2C_SEND_DEVICEID函数以及开始标志I2C_START函数和结束标志I2C_STOP函数。

　　I2C_INIT函数中主要完成I2C控制寄存器I2CCR的设置。I2C数据寄存器I2CDR的清空以及I2C时钟寄存器I2CCCR的I2C工作频率设置等工作,以选择所需要的I2C工作模式。I2C_START函数中主要完成对I2C控制寄存器I2CCR的START位的置位,并等待I2C状态寄存器I2CSR1的START标志位被系统置位。I2C_STOP函数中主要完成对I2C控制寄存器I2CCR的STOP位的置位,以允许当数据发送完毕后系统对I2C状态寄存器I2CSR1的STOP标志位置位。I2C_TX函数则是把需要发送的数据放入I2C数据寄存器I2CDR中发送,并在系统对I2C状态寄存器I2CSR1的BTF标志位置位后退出此函数。同理,I2C_RX函数则从I2C数据寄存器I2CDR中取出通过I2C总线接收到的数据,在系统对I2C状态寄存器I2CSR1的BTF标志位置位后退出此函数。I2C_SEND_DEVICEID函数目的在于发送从设备地址,并决定是接收数据还是发送数据。

    图7为I2C发送、接收程序流程图。

3 结 论

　　ST9+系列单片机能够很好地支持I2C总线协议,可以实现I2C总线协议规定的全部功能和要求,并且在其上实现I2C总线协议驱动程序简单、直观和高效。在使用了大量I2C器件的单片机系统中,可以选用意法半导体公司的ST9+系列单片机作为其核心器件。