5.2 I2C与SPI：接传感器

5.2 I2C 与 SPI：接传感器

串口打通了芯片与人的对话，这一节打通芯片与器件的对话。I2C 用两根线挂起一整排低速器件，SPI 用四根线喂饱高速外设，它们覆盖了嵌入式世界里九成以上的外接需求——传感器、EEPROM、屏幕、Flash、RTC。本节以 I2C 为主角把总线协议的通用骨架（寻址、应答、时序）拆开看一遍，再以寄存器级代码读一颗真实传感器，SPI 作为对照收尾。

I2C：两根线的组织学

I2C（Inter-Integrated Circuit）只有 SCL（时钟）与 SDA（数据）两根线，却支持一主多从。它能这么省，靠三件设计：

其一，开漏 + 上拉。所有设备的 SCL/SDA 都是开漏输出（3.3 节讲过开漏只能拉低），线被上拉电阻拽着保持高电平，任何设备想表达"0"就拉低。这解决了两个问题：多设备同时驱动不打架（线与逻辑），且从机可以故意拉低 SDA 拖慢时钟（时钟伸展）。代价是速度受限——上拉电阻与线电容组成的 RC 回路让边沿爬得慢，标准模式 100 kHz、快速模式 400 kHz，再往上要特殊驱动。

其二，地址寻址。每个从机有固定地址（7 位，芯片手册给定），主机每次开嗓先广播地址，被点名的从机应答，其余装聋。于是两根线理论上可挂 112 个器件（部分地址保留），同类器件靠地址引脚区分。

其三，应答机制。每传完一个字节，接收方必须在第 9 个时钟把 SDA 拉低一拍表示 ACK。主机发地址后有从机应答、发数据后有接收方应答；主机读数据时轮到主机应答，读完最后一个字节主机回 NACK（不应答）示意"收完了"。应答是 I2C 调试的第一线索——地址无应答，八成是接线、地址错或器件没上电。

一次完整的"主机写寄存器地址再读两字节"时序如下，这是绝大多数传感器的标准读法：

START → 器件地址+写 → ACK → 寄存器地址 → ACK →
RESTART → 器件地址+读 → ACK → 数据高字节 → ACK(主机) → 数据低字节 → NACK → STOP
​

图 5-3：I2C 读传感器的完整时序

寄存器级 I2C 读传感器：事件驱动的耐心活

STM32 的 I2C 外设是典型的事件驱动状态机：每完成一个阶段置一个事件标志（SB 地址已发、ADDR 地址已应答、RXNE 收到字节），程序按事件顺序推进。读光照传感器 BH1750 的原始值（地址 0x23，读两字节）：

#include "stm32f10x.h"
#include <stdint.h>

#define BH1750_ADDR_WRITE  (0x23 << 1)        /* 7 位地址左移 1 位，最低位 0 表示写 */
#define BH1750_ADDR_READ   ((0x23 << 1) | 1)  /* 最低位 1 表示读 */

/* I2C1 复用在 PB6=SCL PB7=SDA，配成复用开漏（CNF=11）*/
void i2c1_init_100k(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN;

    GPIOB->CRL &= ~(0xFFUL << 24);
    GPIOB->CRL |=  (0xEFUL << 24);            /* PB6 PB7：复用开漏 + 50 MHz */

    I2C1->CR2 = 36;                            /* APB1 36 MHz，供硬件算时钟控制 */
    I2C1->CCR = 180;                           /* 36 MHz / (2 × 180) = 100 kHz */
    I2C1->TRISE = 37;                          /* 最大上升时间，规范要求 */
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;                   /* 外设使能 */
}

/* 读 BH1750 两字节：返回 0 成功 */
int bh1750_read(uint16_t *lux_raw)
{
    uint32_t timeout;

    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;                               /* 发 START */
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)) { if (++timeout > 20000) return -1; }
    (void)I2C1->SR1;                                          /* 读 SR1 清 SB 标志 */
    I2C1->DR = BH1750_ADDR_WRITE;                             /* 器件地址+写 */
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)) { if (++timeout > 40000) return -1; }
    (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;                         /* 读 SR1+SR2 清 ADDR */

    I2C1->DR = 0x10;                                          /* 命令：连续高分辨率模式 */
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_TXE) || !(I2C1->SR1 & I2C_SR1_BTF)) { }
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;                               /* RESTART，掉头读 */

    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB)) { }
    (void)I2C1->SR1;
    I2C1->DR = BH1750_ADDR_READ;
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR)) { }
    (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;

    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK;                                /* 只收最后字节前关应答 */
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE)) { }
    uint8_t hi = (uint8_t)I2C1->DR;                           /* 高字节 */
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK | I2C_CR1_STOP;                  /* 应答 + STOP */
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE)) { }
    uint8_t lo = (uint8_t)I2C1->DR;                           /* 低字节 */

    *lux_raw = (uint16_t)((hi << 8) | lo);
    return 0;
}

/* 换算与打印：BH1750 原始值除以 1.2 得勒克斯 */
// uint16_t raw; if (bh1750_read(&raw) == 0)
//     printf("light = %d lux\r\n", (int)(raw / 1.2f));
​

这段代码的每一个"等标志"都对应时序图的一个阶段，对照着读一遍，I2C 的运行图景就立起来了。同时它也暴露了裸寄存器 I2C 的费劲之处：标志顺序繁琐、超时处理啰嗦、锁死恢复要九步舞（总线被从机拉死时，手动发九个时钟脉冲解锁是行业黑话级的经典操作）。工程上我会毫不犹豫选厂商库或成熟驱动做 I2C——寄存器层的价值是让你在总线卡死时知道卡在哪个阶段，而不是让你每次手写这套。ESP32 的 i2c_master 驱动同样把细节封装成配置结构体，调用形式几乎相同。

SPI：四根线的速度担当

SPI 用主从模式甩掉了寻址开销：SCK 时钟由主机提供，MOSI/MISO 两根数据线全双工对发，每个从机独享一根片选 CS——主机拉低谁的 CS 就跟谁说话，地址寻址的成本换成了一根物理线。没有应答机制、没有地址广播，硬件简单到极致，换来的是轻松几十 MHz 的速率，TFT 屏、SD 卡、外部 Flash 这些吞吐大户清一色用 SPI。

SPI 的唯一玄学是模式匹配：CPOL（空闲时时钟电平）与 CPHA（第几个边沿采样）组合成四种模式，器件手册都会标明自己吃哪一种，配错了读出的数据整体错位（比如 0x55 变 0xAA），症状极像接线错。看一眼模式表的记忆法：

ESP32 对此的抽象更省心：SPI 主驱动直接问你要 spi_bus_initialize 的时钟极性相位参数，手册标"SPI Mode 3"就原样填 CPOL=1 CPHA=1。三种接口选型到此可以收拢成一句话：**人和模组说话用 UART，低速传感器一群用 I2C，高速大流量器件用 SPI**；资源够时它们可以同时在线，各自挂各自的设备，互不打扰。

至此芯片已经能说、能听、能读传感器。但它还在"一次只做一件事"的裸机循环里打转——下一章引入 FreeRTOS，让芯片学会分身：多任务并行、消息排队、资源互斥，那些通信与传感的数据流将各得其所。