【CW32学习笔记】IIC接口-主机发送

本章将介绍CW32的IIC接口，并最终点亮一块OLED屏幕，如果你对如何编写各种模块的驱动代码束手无策，那本系列教程的IIC章节或许能让你受益匪浅。

Inter-Integrated Circuit Bus，集成电路总线，简称IIC总线。这是一种半双工同步总线协议，这个分类很好地概括了IIC总线的特点：

1.作为总线协议，可以在一根“信息主干道”上接入多个通信节点（也就是通信设备）；

2.同一时间只能有一个通信节点能够在总线上讲话；

3.同步传输意味着这种传输方式至少需要一根时钟线；

IIC总线使用2根线来传输信号：时钟线和数据线，相比于其他的总线协议，这种传输方式更节省IO资源，由于多数情况下IIC仅用于同一块集成电路板上不同模块之间的通信，所以它并不能传输很长的距离，速度也不是那么快，但硬件布线简单，且同一块电路板都会使用同一个电源的正负极，因此IIC总线相当实用。

本文不会详细介绍IIC总线的时序，这里只对其通信流程进行概括，并着重介绍数据链路层的相关内容。从流程上看，IIC总线协议的通信过程大致如下。

假设有A、B两个设备，他们使用IIC总线协议来传递信息，协议规定至少要有一个设备作为主机，其他设备作为从机，IIC是同步通信，协议规定主机来提供时钟，因此只有主机可以主动发起一次通信。假设现在A需要向B传递一个信息DATA，那过程就是这样：

1.设备A发出消息“全体目光向我看齐，我宣布个事，我要开始讲话了”；

2.设备A发出的“公告”会被B看到，B作为从机就会听A接下来要说什么，从A发出“公告”开始，A就会占用总线，此时其他设备都无法在数据线上发出消息。

3.设备A需要继续喊话，这第二次喊话，A就需要告知总线上的设备自己到底要找谁发消息，是广播给所有人（就像全校演讲那样），还是逮住某个设备“私聊”，IIC总线使用从机地址来区分广播和“私聊”，如果第二次喊话的内容是广播模式专有的“地址码”（0x00），总线上的所有从机都会接收后续发出的数据；如果第二次喊话的内容是设备B专有的“地址码”（一个7bit大小的数字），那这次喊话就是针对设备B的，其他的设备会发现点名私聊没找到自己，也就会放弃对后续数据的接收。

4.假设设备A用二次喊话找到设备B进行私聊，待B回应一个应答信号（ACK）之后，A就可以开始数据的传输，每当B接收到A传输的数据，B就会给A发出一个应答信号，这个过程会持续到A完成所有数据的传输并发出停止信号为止——“我的话讲完了，你可以挂电话了“。

如果在A不断向B传输数据的过程中，B觉得自己脑子要炸了，数据太多了，需要时间消化，B可以在回发应答信号的时候发一个“我收不了了！“（NACK），A在接收到这个信号之后，就知道B已经接收到极限了，A就不会再发数据。之后A可以选择开始新一轮的数据传输（回到过程1发起一个新的”喊话“）或者发出停止信号来直接关闭这次通信。

我们会发现上述过程存在很多分支选项，整个过程就像上课一样，“老师讲课学生都听着“、”老师点名某个学生回答问题“，下面我们就从具体的格式上来把上述的抽象过程给对应上。

格式上看，任何一次完整的IIC通信需要传输的数据都是如下的结构：

“起始信号+从机地址|读写类型+ACK+数据0+ACK+数据1+ACK+数据2+……+数据N+ACK+停止信号”

起始信号=我要开始喊话了；

从机地址|读写类型=我要找谁讲话|我要传达or索要信息；

ACK=收到！；

数据N=需要传达or索要的信息；

停止信号：我的话讲完了；

肯定有小伙伴想问：“那IIC总线通过什么方式来表示这些信号呢？“，这些内容属于物理层，感兴趣的小伙伴可以自行百度。

前半部分主要讲解了IIC总线的过程，下面介绍具体到代码上，单片机的IIC接口应该如何去使用。

首先登场的还是喜闻乐见的IO和时钟配置，需要注意的是，这里的IO输出模式需要配置为开漏输出，因为IIC接口需要从IO口收发数据，读写都在这一个IO上，开漏输出就能满足同时读写的需求。

对于IIC的配置其实相对来说比较简单，配置好波特率（公式在结构体的注释里面写好了），使能外设，设置好应答规则，最后开启IIC外设即可。

接着就是比较重要的部分了，IIC接口的收发并不是全自动的，因为一个完整的通信不仅包括发数据（地址、数据什么的），还包含收数据（啥也不干也得接收ACK信号），所以IIC通信的每个部分基本上都是收发易位的过程，IIC外设并不会自动完成这个复杂的过程，每个部分的信号是否发送、以及发送的情况都需要开发者自己去查看（开发者：改为手动操作，全部让我来！）。

编者写了几个带自检功能的IIC函数，这几个简单的函数可以满足驱动OLED的需求。

编写这四个函数可以方便我们后续对OLED驱动的开发，现在我要详细说明一下这四个函数的内在逻辑。

首先是起始信号，我们可以看到发起始信号的函数显示打开了一个开关，等待某个标志成立之后又关掉了那个开关，这里结合手册进行说明。IIC协议中，起始信号是“SCL维持高电平，SDA线电平拉低”这一现象，手册中也有详细描述：

又由于CW32的IIC接口并不会在起始信号发出之后自动停发起始信号，因此如果不在监测到起始信号发出之后关闭起始信号的发送，那么数据传输就无法开始，IIC设备会一直发送RESTART信号来占用总线，通信就会失败。

对于总线的状态——“我发的信号到底成功发出去没有呢？”，CW32提供了IIC状态码来指示总线状态，根据IIC设备不同的工作模式，一共会有26种总线状态，我们并不会用到全部的状态，但可能用到的状态都可以放到枚举类型里面，就像这样： 

以起始信号发送函数为例，其返回值就是已发送起始信号的状态码（0x08），如果起始信号发送失败，死循环就无法跳出，程序死机（虽然实际上不应该这么写，此处只做演示，编者就小小地偷一下懒）。

视线来到发送从机地址和读写指令的函数，就像本文前半部分讲的一样，喊话宣言之后需要指名道姓自己需要私聊的对象。从机地址本身只有7bit，占据整个字节的高7位，0号bit位表示这一次通信是为了传达信息还是索取信息，0位为0则传达（也就是写），为1则索取（也就是读）。当成功发送从机地址这一个字节之后，IIC状态码也会改变，对比状态码之后即可确认从机地址字节发送成功并收到了从机的ACK信号，这表示从机确认收到了这个字节的消息。

 

 

发送数据的函数和发送从机地址的函数很相似，只不过整个字节都表示数据，并没有什么独特的含义。

最后就是发送停止信号的函数，与起始信号不同，停止信号成功发出之后，总线会进入空闲状态，并且停止信号使能位会被硬件自动清零。

捋清逻辑之后，我就要说明一个非常重要的细节，仔细观察会发现，所有的IIC信号发送函数都有一个清除中断标志的操作，这里明明不是中断，为什么要写这个语句呢？因为CW32的IIC接口，其发送数据的触发条件，就是中断标志位被清除。根据手册的描述，只要IIC状态码改变，中断标志位就会被硬件置位，在开启中断的情况下，程序会进入中断服务函数，如果不开启中断，程序的执行顺序不会改变，这个标志位也就只是一个发送开关。

这个发送逻辑某种程度上很反直觉，因为大部分的通信接口，都是拿“数据缓冲区被写入数据”来触发发送行为的，而此处的send函数，均不具备发送功能，与其叫send_data，不如叫set_data更合适，他们的作用只是把数据装载到IIC的数据寄存器，因此如果想要发送，就需要在清除中断标志位之前将数据写入数据寄存器。手册上也详细描述了这一点：

这样一来，IIC通信就具备基本的发送功能了，对于常见的EEPROM读写，CW32的IIC库提供了连续读写的函数，开发者可以直接使用：

个人评价：大部分人在需要使用IIC的时候，都会直接移植软件模拟的IIC接口，但是在更多的地方，我还是推荐使用硬件IIC，尤其是需要使用IIC大量读写数据的场合。而CW32的IIC接口，在不考虑发送触发与中断绑定这一反直觉因素的情况下，其内部的处理逻辑相比其他MCU的IIC接口，还是颇具优势的（读者可以自行对比STM32的IIC接口，STM32的IIC读写逻辑不能完全手动操作，效率不够高），尤其是每次发送之后，不必要立刻进行下一个字节的发送，只要IIC总线还保持在建立状态，开发者可以在之后一段时间内的任意时刻发送下一个字节，这直接省去了等待发送完成的时间（当然本文并没有采取这种写法），提高了程序整体的运行效率。