超详细版STM32 I2C驱动程序时序分析与实现

深入STM32 I2C驱动核心：从时序控制到实战避坑全解析

你有没有遇到过这样的场景？
明明代码写得一模一样，别人的I2C通信流畅如丝，而你的却总是卡在BUSY标志、收不到ACK、甚至SCL被死死拉低动弹不得。重启没用，复位无效，最后只能靠“断电大法”救场。

别急——这并不是玄学，而是你还没真正看懂STM32的I2C外设是如何与总线“对话”的。

今天我们就撕开HAL库和标准外设库的封装外壳，直击STM32 I2C驱动程序的底层脉搏，带你一步步搞清楚：

为什么CCR寄存器要除以2？
ADDR标志为什么要读两次才能清除？
BTF到底什么时候该用？
NACK真的就是地址错了么？
SCL被锁住怎么办？

我们不讲空话套话，只讲你在调试过程中真正会踩的坑、看到的现象、能用的解法。

一、先问自己一个问题：你是怎么“发一个字节”的？

很多初学者写I2C，习惯性地照搬模板：

I2C1->DR = addr; while(!flag_ready);

但你知道吗？这一行简单的赋值背后，是一整套精密的状态机在运行。

STM32的I2C模块不是“IO口翻转模拟”，它是一个硬件协议控制器。当你往DR寄存器写数据时，芯片内部已经在自动打包起始信号、移位发送、等待应答……这些动作都由状态寄存器（SR1/SR2）实时反馈。

所以，真正的I2C编程，其实是和状态机对话的过程。

我们来看最典型的主发送流程中几个关键状态标志的意义：

标志位	含义	如何触发	注意事项
`SB`（Start Bit）	起始条件已发出	写DR前必须等待	单次有效，需软件参与
`ADDR`	地址发送完成并收到ACK	发送地址后置位	必须先读SR1再读SR2来清零
`TXE`	数据寄存器空，可写入下个字节	上一字节开始移出后置位	不代表传输完成！
`BTF`	字节传输完成（Byte Transfer Finished）	当前字节完全移出且缓冲区为空	是停止前的最佳时机

⚠️ 很多人误以为TXE表示“可以发下一个”，其实它是“刚发完一个”。如果紧接着就发STOP，可能最后一个字节还没发完就被中断了。

举个例子：

I2C1->DR = data; // 触发TXE清零 // ... 等待 TXE == 1 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; // 错！此时可能还在发data

正确做法是等BTF置位后再发STOP，确保所有数据已送出。

二、速率是怎么算出来的？别再瞎猜CCR了！

想让I2C跑100kHz，是不是直接把PCLK除一下就行？比如72MHz / 100k = 720，然后CCR=360？

没错，但你知道这个“除以2”是怎么来的吗？

CCR寄存器的本质：决定SCL高/低周期

STM32通过I2C_CCR寄存器控制SCL的高低电平持续时间。其工作方式分为两种模式：

✅ 标准模式（F/S = 0）

使用普通占空比（Duty = 0），即高电平 : 低电平 ≈ 1:1
公式：
$$
CCR = \frac{PCLK}{2 \times SCL_frequency}
$$

✅ 快速模式（F/S = 1, Duty可选）

高速模式下允许非对称波形（Duty=0或1）：
Duty=0 → 高电平短（25%）
Duty=1 → 高电平长（75%）

实际项目中推荐使用Duty=0（高电平短），因为上升时间限制更宽松，更容易满足高速要求。

还有TRISE！很多人忘了它

I2C_TRISE用于限制SCL上升沿的时间。手册规定：在标准模式下，上升时间不得超过1000ns。

假设你的板子上拉电阻为4.7kΩ，总线负载电容为200pF，则RC上升时间约为：
$$
t_r ≈ 1.8 × R × C = 1.8 × 4700 × 200e-12 ≈ 1.7μs
$$
已经超标！

这时候你就必须：
- 减小上拉电阻（比如改到2.2kΩ）
- 或者降低通信速率
- 否则即使CCR设置正确，也可能因采样错误导致通信失败

所以在初始化时一定要合理设置TRISE：

// PCLK1 = 72MHz → TPCLK1 ≈ 13.89ns // 最大允许上升时间为1000ns → 最多经过72个时钟周期 I2C1->TRISE = 72 + 1; // 建议留一点余量

三、实战代码拆解：一步一步教你写可靠的主写函数

下面这段代码，看似简单，实则步步惊心。我们逐行剖析：

uint8_t i2c1_write(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data) { // Step 1: 等待总线空闲 while (I2C1->SR2 & I2C_SR2_BUSY);

📌问题来了：BUSY标志真的可靠吗？

答案是：不一定。

如果上次通信没有正常结束（比如中途断电、从设备死机），BUSY可能会一直挂着。建议加超时机制：

uint32_t timeout = 10000; while ((I2C1->SR2 & I2C_SR2_BUSY) && --timeout); if (!timeout) { i2c_software_reset(); // 强制软复位 }

继续往下：

// Step 2: 发起起始条件 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB));

📌 SB标志是自清除型事件，一旦读取SR1就会消失。但它告诉你：“起始条件已经发出，请尽快操作”。

接下来发送地址：

I2C1->DR = (dev_addr << 1); // 左移一位，最低位为0（写） while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR));

📌 此时若未收到ACK，ADDR不会置位，循环将卡死！必须加入超时判断！

timeout = 10000; while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)) if (--timeout == 0) return -1; // 返回错误码

然后清除ADDR标志：

(void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;

📌 必须先读SR1再读SR2！否则ADDR无法清除，后续TXE将无法正常触发。

接着发送寄存器地址和数据：

while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); I2C1->DR = reg_addr; while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE)); I2C1->DR = data;

📌 注意：这里只用了TXE，说明我们接受“边发边填”的流水线模式。但如果这是最后一个字节，就必须再等BTF！

while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_BTF)); // 确保最后一个字节也发完了 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

✅ 完整版更健壮的做法应该是：

if (!wait_for_register_bit(&I2C1->SR1, I2C_SR1_BTF, 1, 10000)) { return -2; } I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

四、那些年我们一起掉过的坑：常见故障与应对策略

🔹 症状1：I2C BUSY一直为1

原因分析：
- 上次事务未正常结束（缺少STOP）
- 从设备进入Clock Stretching并持续拉低SCL
- 总线冲突或SDA/SCL被外部拉死

解决方案：
1. 添加超时检测；
2. 执行软件复位流程：
c void i2c_software_reset(void) { I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_PE; // 关闭外设 GPIO_Init(); // 重新配置SCL/SDA为推挽输出 for(int i=0; i<9; i++) { // 模拟9个时钟脉冲唤醒 scl_low(); delay_us(5); scl_high(); delay_us(5); } i2c1_init(); // 重新初始化 }

这招对付某些“假死”的EEPROM特别管用。

🔹 症状2：始终NACK

你以为是地址错了？错！

可能原因包括：
- 设备未上电或复位中
- 地址格式错误（7位 vs 8位）
- 从设备正在处理任务（如ADC转换中）
- 上拉太弱，ACK电平未达标

排查方法：
- 用逻辑分析仪抓包，确认是否真没拉低ACK
- 尝试增加重试机制（最多3次）
- 增加访问前延时（尤其是刚上电时）

示例重试逻辑：

for (int retry = 0; retry < 3; retry++) { err = i2c1_write(addr, reg, val); if (err == 0) break; delay_ms(10); }

🔹 症状3：SCL被永久拉低

这是典型的Clock Stretching滥用或从设备死机。

有些传感器（如BME280）会在内部计算时主动拉低SCL，但如果主控太快或电源不稳，可能导致其无法释放。

对策：
- 在驱动层添加SCL超时检测；
- 若超过一定时间仍未释放，执行上述“软件模拟时钟”唤醒；
- 或使用GPIO直接监控SCL电平：

if (read_scl() == 0) { generate_clock_stretch_recovery_pulses(); }

五、高级技巧：如何让你的I2C又快又稳？

✅ 技巧1：善用DMA进行大批量传输

对于OLED屏刷新、EEPROM批量写入等场景，轮询方式效率极低。启用DMA可彻底解放CPU。

步骤简述：
1. 开启I2C Tx/Rx DMA请求；
2. 配置DMA通道连接至I2C_DR；
3. 启动传输后由硬件自动搬运数据；
4. 传输完成触发中断。

优势：CPU几乎零参与，适合RTOS环境下并发处理。

✅ 技巧2：结合中断实现异步通信

相比轮询，中断方式响应更快、资源利用率更高。

典型结构：

void I2C1_EV_IRQHandler(void) { uint32_t sr1 = I2C1->SR1; if (sr1 & I2C_SR1_SB) handle_start(); if (sr1 & I2C_SR1_ADDR) handle_addr(); if (sr1 & I2C_SR1_TXE) handle_txe(); if (sr1 & I2C_SR1_RXNE) handle_rxne(); if (sr1 & I2C_SR1_BTF) handle_btf(); }

配合状态机管理当前传输阶段，实现非阻塞I2C通信。

✅ 技巧3：动态速率切换适应不同设备

同一个I2C总线上挂了多个设备，有的只支持100kHz，有的能跑400kHz？

可以在每次通信前动态修改CCR值：

i2c_set_speed(I2C_SPEED_FAST); // 访问高速设备 i2c_transfer(dev_fast, buf, len); i2c_set_speed(I2C_SPEED_STANDARD); // 切回低速 i2c_transfer(dev_slow, buf, len);

注意：每次更改CCR前要确保总线空闲，并重新使能PE位。