从寄存器开始：手把手教你实现STM32的I²C通信（不依赖HAL库）
当你的传感器“连不上”时，问题可能出在哪儿？
你有没有遇到过这样的场景：OLED屏幕黑屏、温湿度读数为0、EEPROM写入失败……所有迹象都指向一个神秘的“通信故障”。而当你拿出逻辑分析仪一看——SDA卡死了，SCL不动了，总线像被谁“锁住”了一样。
这类问题，在嵌入式开发中太常见了。尤其当你使用I²C连接多个外设时，看似简单的两根线，背后却藏着复杂的时序、状态机和电气特性。
今天，我们不走捷径，不用HAL库自动生成代码，而是从零开始，直接操作STM32的寄存器，亲手配置并实现一次完整的I²C主设备通信。目标只有一个：让你真正理解这根“神奇”的总线是如何工作的。
I²C不只是两根线：它是一套精密的协议
它为什么能用两根线控制多个设备？
想象一下，你家里有多个智能灯泡，但你只有一把遥控器。怎么让每个灯泡知道你是想控制它？答案是：地址。
I²C正是这样一套“带寻址能力”的串行协议。它仅需两条线：
-SDA（Serial Data）：传输数据和地址
-SCL（Serial Clock）：由主设备提供时钟信号
这两条线都是开漏输出 + 上拉电阻结构。这意味着任何设备都可以将线路拉低，但释放后会自动回到高电平。这种设计支持多主多从共享总线，也带来了“仲裁”与“同步”的可能性。
通信永远由主设备发起，流程如下：
- 主机发出起始条件（Start）：SCL高时，SDA从高变低
- 发送从机地址 + 读/写位，等待对方回复ACK
- 开始逐字节传输数据，每字节后跟一个ACK/NACK
- 最后主机发送停止条件（Stop）：SCL高时，SDA从低变高
整个过程就像两个人打电话：“喂？” → “是我。” → “你要干啥？” → “我想写个数据。” → “好，发过来。” → “收到。” → “拜拜。”
如果中间没人应答（NACK），说明设备没在线或地址错了——这时候你就该怀疑接线、电源或者地址偏移了。
STM32是怎么“自动”完成这些动作的？
虽然I²C协议看起来复杂，但STM32内部有一个专用的硬件I²C控制器，它可以帮你处理起始/停止信号生成、地址匹配、ACK响应、时钟分频等繁琐任务。
关键在于：我们要学会指挥它。
以最常见的STM32F103C8T6为例，它有两个I²C外设（I2C1 和 I2C2），挂载在APB1总线上，工作频率最高36MHz。我们使用的引脚通常是 PB6（SCL）、PB7（SDA）——它们属于GPIOB端口，并且需要设置为复用开漏输出模式。
核心寄存器一览
| 寄存器 | 功能 |
|---|---|
I2C_CR1 | 启用外设、使能中断、触发START/STOP |
I2C_CR2 | 设置PCLK频率、使能DMA |
I2C_OAR1 | 配置本机作为从机时的地址 |
I2C_DR | 数据寄存器，读写一字节 |
I2C_SR1/SR2 | 状态标志位（SB、ADDR、RXNE、TXE、AF等） |
I2C_CCR | 设置SCL时钟频率 |
I2C_TRISE | 控制SCL上升沿时间，防止过冲 |
这些寄存器不是随便写的，顺序很重要，时机也很关键。
手动配置I²C：一步步来，别急
我们现在要做的，就是按照正确的流程，一步一步初始化I²C1，让它能在标准模式下以100kbps运行。
第一步：开启时钟，配置GPIO
// 使能GPIOB和I2C1的时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; // GPIOB时钟 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; // I2C1时钟接着配置PB6和PB7为复用功能开漏输出，速度50MHz：
// 清除原有配置 GPIOB->CRL &= ~(0xFF << 24); // 清除CNF6/MODE6 和 CNF7/MODE7 // MODE=11 (最大速度50MHz), CNF=10 (复用功能开漏) GPIOB->CRL |= (0x0B << 24) | (0x0B << 28);⚠️ 注意：必须启用外部上拉电阻！一般用4.7kΩ接到3.3V。部分STM32型号支持内部上拉，但驱动能力弱，长距离或高速时不推荐。
第二步：关闭外设，安全配置
先确保I2C模块处于关闭状态，避免边运行边改参数导致异常：
I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE; // 关闭I2C1第三步：设置通信速率（CCR和TRISE）
这是最关键的一步。
假设系统时钟HCLK = 72MHz，APB1预分频为2，则PCLK1 = 36MHz。
我们希望SCL输出100kHz（标准模式），计算公式如下：
CCR = PCLK1 / (2 × F_SCL) = 36,000,000 / (2 × 100,000) = 180所以：
I2C1->CCR = 180;然后设置上升时间限制。根据I²C规范，快速模式下上升时间不得超过1000ns。通常设置为：
TRISE = 1us × F_PCLK(MHz) + 1 = 36 + 1 = 37I2C1->TRISE = 37;✅ 小贴士：如果你跑的是400kHz（快速模式），CCR要改成45左右，并注意减小上拉电阻至2.2kΩ。
第四步：设置自身地址（可选）
如果你打算让STM32作为从机被别的MCU访问，才需要配这个。否则可以跳过：
I2C1->OAR1 = (0x42 << 1); // 7位地址左移一位，最低位用于R/W第五步：使能I²C外设
最后一步，打开I²C1：
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE; // PE = Peripheral Enable至此，I²C1已经准备就绪，随时可以发起通信。
实现一个写操作：给传感器发命令
现在我们来封装一个函数：向某个I²C设备的指定寄存器写入一个字节。
比如你想配置BME280的控制寄存器，就需要先发设备地址，再发寄存器地址，最后发数据。
uint8_t I2C_WriteRegister(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data) { // 1. 等待总线空闲 while (I2C1->SR2 & I2C_SR2_BUSY) { // 如果SCL或SDA被拉低太久，可能是总线锁死 // 可加入超时判断，避免死循环 } // 2. 发送起始条件 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; // 3. 等待SB标志置位（表示起始已发出） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)); // 4. 发送从机地址（写模式） I2C1->DR = (dev_addr << 1) & 0xFE; // 最低位清零表示写 // 5. 等待地址发送完成，检查是否收到ACK while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // 清除ADDR标志：先读SR1，再读SR2 volatile uint32_t tmp = I2C1->SR1; tmp = I2C1->SR2; (void)tmp; // 6. 等待数据寄存器空（TXE），发送寄存器地址 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); I2C1->DR = reg_addr; // 7. 再次等待TXE，发送实际数据 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); I2C1->DR = data; // 8. 等待最后一个字节发送完毕（BTF：Byte Transfer Finished） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_BTF)); // 9. 发送停止条件 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; return 0; // 成功 }📌重点说明几个状态位的意义：
-SB：起始条件已发出
-ADDR：地址已发送，且收到ACK
-TXE：数据寄存器为空，可以写入下一个字节
-BTF：最后一个字节已复制到移位寄存器，总线即将空闲
-AF：Acknowledge Failure，表示从机没回应！
常见坑点与调试秘籍
❌ 坑一：总线一直BUSY，无法启动
原因：上次通信未正常结束，或者某个从机死机锁住了SDA/SCL。
✅ 解法：
- 检查是否遗漏了STOP位
- 加入超时机制，例如最多等待1ms
- 强制恢复：用GPIO模拟9个SCL脉冲，迫使从机释放SDA
// 伪代码：强制释放总线 for (int i = 0; i < 9; i++) { SCL_LOW(); delay_us(5); SCL_HIGH(); delay_us(5); } if (SDA_READ() == 1) break; // SDA释放成功❌ 坑二：始终收不到ACK（AF标志被置起）
可能原因：
- 设备地址错误（注意有些芯片地址固定偏移，如AT24C02 A0接地则地址为0xA0）
- 接线反了（SDA/SCL交叉）
- 上拉电阻太大或缺失
- 电源没供上，设备根本没工作
✅ 解法：
- 用万用表测电压：空闲时SDA/SCL应接近3.3V
- 用逻辑分析仪抓包，看是否有ACK响应
- 尝试更换为2.2kΩ上拉电阻
- 使用i2c_scan()函数扫描所有地址，找出在线设备
void i2c_scan(void) { for (uint8_t addr = 0; addr < 128; addr++) { if (I2C_Probe(addr)) { printf("Device found at 0x%02X\n", addr); } } }实际应用案例：构建一个环境监测节点
设想这样一个系统：
STM32F103C8T6 │ ├── BME280 → 地址 0x76 （温湿度气压） ├── AT24C02 → 地址 0x50 （存储校准数据） └── SSD1306 → 地址 0x3C （OLED显示）三者共用I2C1总线，只需两根线即可轮询采集、保存、刷新。
主循环大致如下：
while (1) { float temp = read_bme280_temperature(); uint8_t status = eeprom_write_byte(0x10, (uint8_t)temp); oled_display_update(temp); delay_ms(1000); }正是因为I²C支持多设备共线+地址寻址，我们才能用最少的引脚实现最丰富的功能。
设计建议：让I²C更稳定可靠
1. 上拉电阻怎么选？
经验公式：
$$
R_{pull-up} \approx \frac{V_{DD} - V_{OL}}{I_{OL}}
$$
但更实用的方法是参考总线电容 $ C_b $：
$$
R < \frac{t_r}{0.8473 \times C_b}
$$
其中 $ t_r \leq 1000ns $ 是上升时间要求。
- 走线短、设备少 → 4.7kΩ
- 走线长、速度快 → 2.2kΩ 或更低
2. PCB布局要点
- SDA/SCL尽量等长，远离高频信号（如SWD、PWM、DC-DC）
- 所有I²C设备就近加0.1μF陶瓷去耦电容
- 避免星型拓扑，采用菊花链式布线
- 必要时增加TVS二极管防ESD
3. 软件健壮性增强
- 所有I²C操作加超时保护（配合SysTick或定时器）
- 失败后自动重试（最多3次）
- 错误码分类上报（
ERR_I2C_TIMEOUT,ERR_I2C_NACK）
#define I2C_TIMEOUT 1000 // 单位：微秒 while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)) { if (--timeout == 0) return ERR_I2C_TIMEOUT; delay_us(1); }写在最后：掌握底层，才能掌控全局
今天我们完成了从GPIO配置、寄存器设置到完整通信流程的全过程。虽然没有用HAL库一行搞定那么快，但这一步一步的操作，让你看清了每一个比特背后的真相。
当你下次面对“I²C不通”的问题时，不会再盲目地换线、重启、删工程。你会冷静地问自己：
- 总线真的空闲吗？
- 地址对了吗？
- CCR算得准吗？
- 是不是忘了清除ADDR标志？
这才是嵌入式工程师真正的底气。
未来，你可以在此基础上进一步优化：
- 改用中断方式提升效率
- 结合DMA实现大数据量传输
- 封装通用I²C驱动框架
- 支持10位地址或多主模式
而这一切的基础，就是你现在亲手写下的这几行寄存器代码。
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