ST9+系列單片機I2C總線驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

　　摘要：串行擴展總線技術(shù)是新一代單片機技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點，其中Philips公司推出的I2C總線最為著名。ST9+系列是意法半導(dǎo)體公司的單片機產(chǎn)品，能夠很好地支持I2C總線協(xié)議。本文以ST9+單片機為例闡述I2C總線協(xié)議，并給出在ST9+單片機上實現(xiàn)I2C總線驅(qū)動程序的流程和方法。

　　關(guān)鍵詞：I2C總線 串行擴展總線 ST9+ 總線驅(qū)動

串行擴展總線技術(shù)是新一代單片機技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點，其中Philips公司推出的 I2C總線最為著名。I2C總線最顯著的特點是規(guī)范的完整性、結(jié)構(gòu)的獨立性和用戶使用時的簡單化。 I2C總線有嚴(yán)格的規(guī)范，如接口的電氣特性、信號時序、信號傳輸?shù)亩x、總線狀態(tài)設(shè)置、總線管理規(guī)則及總線狀態(tài)處理等。與并行擴展總線相比，串行擴展總線有突出的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫方便，易于實現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等。

　　目前I2C總線技術(shù)已為許多著名公司所采用，并廣泛應(yīng)用于視頻、音頻系統(tǒng)中。推廣I2C總線技術(shù)將有助于提高我國單片機應(yīng)用開發(fā)水平。意法半導(dǎo)體公司（SGS-THOMSON）是全球十大半導(dǎo)體制造商之一，其領(lǐng)先單片機產(chǎn)品ST9+系列是目前功能比較全面且支持通信協(xié)議較多的一款產(chǎn)品，支持包括I2C、USB在內(nèi)的多種通信協(xié)議。本文以ST9+系列單片機中的ST92163為例，闡述其對I2C總線的支持方式，并給出在ST92163單片機上實現(xiàn)I2C總線協(xié)議的程序流程和方法。

1 ST9+系列單片機結(jié)構(gòu)及其對I2C總線的支持

1.1 ST9+系列單片機的結(jié)構(gòu)和特點

　　ST92163單片機是ST9+系列單片機中的典型產(chǎn)品，如圖1所示。本文以該款單片機為例介紹ST9+系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品為8位/16位兼容單片機，片內(nèi)含20 KB的ROM和2 KB的RAM，主頻24 MHz，擁有256個寄存器，最大內(nèi)存尋址4 MB，支持I2C、SPI以及USB在內(nèi)的多種串行通信協(xié)議，在視頻、音頻等方面具有廣泛的應(yīng)用。其256個寄存器分為224個通用寄存器、16個系統(tǒng)寄存器和16個頁寄存器。其中16個頁寄存器對應(yīng)64頁，可通過改變當(dāng)前頁來切換不同功能的16個頁寄存器。

1.2 ST9+系列單片機對I2C總線的支持

　　ST9+支持2種模式的I2C總線，包括100 kHz的標(biāo)準(zhǔn)I2C模式和400 kHz的快速I2C模式。同時ST9+系列單片機也支持7位和10位2種長度的地址碼，并采用DMA的方式使對單片機處理時間的占用降到最小。除此之外，ST9+為支持I2C總線協(xié)議還具備以下特征：內(nèi)部并行總線與I2C串行總線的轉(zhuǎn)換、總線上多主器件的支持和接收或者發(fā)送標(biāo)志產(chǎn)生、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志產(chǎn)生、發(fā)送過程中錯誤檢測以及支持錯誤發(fā)生后產(chǎn)生中斷等。

　　針對主器件模式，ST9+系列單片機還增加了總線時鐘產(chǎn)生、總線忙標(biāo)志產(chǎn)生、開始位標(biāo)志檢測、總線仲裁丟失標(biāo)志產(chǎn)生以及開始和結(jié)束標(biāo)志產(chǎn)生等特征。而針對從設(shè)備，ST9+也有相關(guān)特征支持，包括有停止位標(biāo)志檢測、設(shè)備地址編程、發(fā)送錯誤檢測、數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢標(biāo)志產(chǎn)生和開始或結(jié)束錯位檢測等特征。

　　ST9+系列單片機中實現(xiàn)I2C總線協(xié)議的寄存器共有16個，如圖2所示。其中初始化寄存器6個，包括I2C自地址寄存器I2COAR1和I2COAR2、地址調(diào)用寄存器I2CADR、時鐘控制寄存器I2CCCR和I2CECCR以及控制寄存器I2CCR；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收寄存器4個，包括數(shù)據(jù)寄存器I2CDR、控制寄存器I2CCR、狀態(tài)寄存器I2CSR1和I2CSR2；I2C相

關(guān)中斷和DMA寄存器7個，包括中斷狀態(tài)寄存器I2CISR、中斷掩碼寄存器I2CIMR、中斷向量寄存器I2CIVR、接收DMA地址指針寄存器I2CRDAP、接收DMA事務(wù)計數(shù)寄存器I2CRDC、發(fā)送DMA地址指針寄存器I2CTDAP以及發(fā)送DMA事務(wù)計數(shù)寄存器I2CTDA。這16個寄存器均為頁寄存器，并放在同一頁中。

　　以上寄存器中，數(shù)據(jù)寄存器I2CDR、控制寄存器I2CCR、狀態(tài)寄存器I2CSR1和I2CSR2是最基本的4個寄存器，通過這4個寄存器的設(shè)置可以實現(xiàn)基本的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能。這4個寄存器的具體情況如圖3、4、5所示。

　　PE為外設(shè)使能位，ENGC為從設(shè)備模式使能位，START為開始標(biāo)志使能位，ACK為響應(yīng)使能位，STOP為結(jié)束標(biāo)志使能位，ITE為中斷使能位。

　　EVF為事件標(biāo)志位，ADD10為10位長度地址位，TRA為區(qū)別發(fā)送或接收狀態(tài)位，BUSY為總線忙標(biāo)志位，BTF為數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)志位，ADSL為從設(shè)備地址匹配標(biāo)志位，M/SL為區(qū)別主從設(shè)備位，SB為開始標(biāo)志位。

ADDTX為地址應(yīng)答標(biāo)志位，AF為應(yīng)答失敗標(biāo)志位，STOPF為從設(shè)備檢測到停止標(biāo)志位，ARLO為總線仲裁丟失標(biāo)志位，BERR為總線忙錯誤標(biāo)志位，GCAL為普通地址調(diào)用匹配標(biāo)志位。

    I2C數(shù)據(jù)寄存器I2CDR為存放待發(fā)數(shù)據(jù)或接收到數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，在下一個要發(fā)送或者接收的字節(jié)數(shù)據(jù)到來之前必須清空。

2 程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 編譯工具

     ST9+系列單片機I2C總線協(xié)議驅(qū)動程序采用ANSI C語言編寫，使用GNU組織的GCC編譯器編譯、鏈接生成所需要的十六進(jìn)制文件。

　　GCC編譯器是自由軟件組織發(fā)布的多平臺支持的C語言編譯器，ST9+系列單片機編程使用的GCC9版本，包括了用于C語言編譯的CC9、用于匯編語言編譯的GAS9、用于鏈接的LD9和宏匯編解釋器TR9等模塊。圖 6 為GCC9編譯、鏈接流程圖。

2.2 程序設(shè)計及流程

　　為了實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，定義以下幾個函數(shù)：對I2C主要寄存器初始化的I2C_INIT函數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的I2C_TX函數(shù)、接收數(shù)據(jù)的I2C_RX函數(shù)、發(fā)送從設(shè)備地址的I2C_SEND_DEVICEID函數(shù)以及開始標(biāo)志I2C_START函數(shù)和結(jié)束標(biāo)志I2C_STOP函數(shù)。

　　I2C_INIT函數(shù)中主要完成I2C控制寄存器I2CCR的設(shè)置。I2C數(shù)據(jù)寄存器I2CDR的清空以及I2C時鐘寄存器I2CCCR的I2C工作頻率設(shè)置等工作，以選擇所需要的I2C工作模式。I2C_START函數(shù)中主要完成對I2C控制寄存器I2CCR的START位的置位，并等待I2C狀態(tài)寄存器I2CSR1的START標(biāo)志位被系統(tǒng)置位。I2C_STOP函數(shù)中主要完成對I2C控制寄存器I2CCR的STOP位的置位，以允許當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后系統(tǒng)對I2C狀態(tài)寄存器I2CSR1的STOP標(biāo)志位置位。I2C_TX函數(shù)則是把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入I2C數(shù)據(jù)寄存器I2CDR中發(fā)送，并在系統(tǒng)對I2C狀態(tài)寄存器I2CSR1的BTF標(biāo)志位置位后退出此函數(shù)。同理，I2C_RX函數(shù)則從I2C數(shù)據(jù)寄存器I2CDR中取出通過I2C總線接收到的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)對I2C狀態(tài)寄存器I2CSR1的BTF標(biāo)志位置位后退出此函數(shù)。

     I2C_SEND_DEVICEID函數(shù)目的在于發(fā)送從設(shè)備地址，并決定是接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)。

    圖7為I2C發(fā)送、接收程序流程圖。

3 結(jié) 論

　　ST9+系列單片機能夠很好地支持I2C總線協(xié)議，可以實現(xiàn)I2C總線協(xié)議規(guī)定的全部功能和要求，并且在其上實現(xiàn)I2C總線協(xié)議驅(qū)動程序簡單、直觀和高效。在使用了大量I2C器件的單片機系統(tǒng)中，可以選用意法半導(dǎo)體公司的ST9+系列單片機作為其核心器件。