第十九章 IIC_EXIO实验
1）实验平台：正点原子DNESP32S3开发板
2）章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6
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本章，我们将继续使用ESP32-S3的硬件IIC接口去驱动IO扩展芯片XL9555。在本章中，实现和XL9555之间的双向通信，将使用其IO的输入输出功能。
本章分为如下几个小节：
19.1 IIC简介
19.2 硬件设计
19.3 程序设计
19.4 下载验证
19.1 IIC简介
IIC（Inter-Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送。
IIC总线有如下特点：
①总线由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，数据线用来传输数据，时钟线用来同步数据收发。
②总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，所以我们只需要知道器件的地址，根据时序就可以实现微控制器与器件之间的通信。
③数据线SDA和时钟线SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。
④总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。
⑤总线支持设备连接。在使用IIC通信总线时，可以有多个具备IIC通信能力的设备挂载在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容400pF的限制决定。IIC总线挂载多个器件的示意图，如下图所示。
图19.1.1 IIC总线挂载多个器件
下面来学习IIC总线协议，IIC总线时序图如下所示：
图19.1.2 IIC总线时序图
为了便于大家更好的了解IIC协议，我们从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、数据传输以及空闲状态等6个方面讲解，大家需要对应图14.1.1.2的标号来理解。
① 起始信号
当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。
② 停止信号
当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。
③ 应答信号
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。
④ 数据有效性
IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
⑤ 数据传输
在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
⑥ 空闲状态
IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
了解前面的知识后，下面介绍一下IIC的基本的读写通讯过程，包括主机写数据到从机即写操作，主机到从机读取数据即读操作。下面先看一下写操作通讯过程图，如下图所示。
图19.1.3 写操作通讯过程图
主机首先在IIC总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0（写操作）组成的8bit数据，所有从机接收到该8bit数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。注意：IIC总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。
接着讲解一下IIC总线的读操作过程，先看一下读操作通讯过程图，如下图所示。
图19.1.4 读操作通讯过程图
主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1（读操作）组成的8bit数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址。那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回8bit数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。
19.1.1 IIC基本参数
(1)速率：I2C总线有标准模式（100kbit/s）和快速模式（400kbit/s）两种传输模式，还有更快的扩展模式和高速模式可供选择。
(2)器件地址：每个设备都有唯一的7位或10位地址，可以通过地址选择来确定与谁进行通信。
(3)总线状态：I2C总线有五种状态，分别是空闲状态、起始信号、结束信号、响应信号、数据传输。
(4)数据格式：I2C总线有两种数据格式，标准格式和快速格式。标准格式是8位数据字节加上1位ack/nack（应答/非应答）位，快速格式允许两个字节同时传输。
由于SCL和SDA线是双向的，它们也可能会由于外部原因（比如线路中的电容等）出现电平误差，而从而导致通信出错。因此，在IIC总线中，通常使用上拉电阻来保证信号线在空闲状态下的电平为高电平。
19.1.2 软件IIC与硬件IIC
IIC协议可以通过软件实现或者硬件实现。这两种方式的区别在于实现的方法和所需的硬件资源。
1，软件IIC
软件IIC是一种通过编程模拟IIC通信协议的技术。它巧妙利用微控制器的GPIO引脚来模拟IIC的数据线（SDA）和时钟线（SCL），通过软件精确控制引脚的电平变化，从而完成数据的传输和时序信号的生成。与硬件IIC相比，软件IIC的最大优势在于其普遍适用性，几乎任何支持GPIO功能的微控制器都可以实现。
在软件IIC的实现中，我们能够通过编程方式模拟IIC的主机和从机设备。通过精确控制GPIO引脚的状态，并严格按照IIC协议的时序要求进行操作，从而能够实现高效的数据传输和通信。软件IIC不仅灵活性极高，可以根据应用需求进行定制和扩展，还支持多从机设备和多主机环境，极大提升了通信的多样性和便捷性。
尽管软件IIC在性能上可能稍逊于硬件IIC，但在低速通信和简单通信需求的场景中，它无疑是一种经济且实用的解决方案。因此，软件IIC在资源受限的MCU系统中应用广泛，尤其适用于需要与多个外部设备进行通信的应用场景。
2，硬件IIC
硬件IIC指的是利用专门的硬件模块来执行IIC通信协议。现代微控制器及许多外部设备均集成了硬件IIC模块，这些模块负责处理IIC通信的所有复杂细节，如生成精确的时序信号、自动处理信号冲突、数据传输及错误检测等。采用硬件IIC，开发者可以直接通过硬件引脚与外部设备相连，无需编写繁琐的时序控制代码，从而简化了开发流程。
硬件IIC的使用通常更加便捷，开发者无需深入处理通信协议的内部机制，只需关注数据的传输与接收。硬件模块能够直接与外部设备通信，通过专用引脚进行数据和时钟信号的传输，确保通信的高效性与可靠性。
在决定使用软件IIC还是硬件IIC时，应综合考虑应用需求和硬件资源。软件IIC适用于资源有限的系统，其灵活性使其能在任何支持GPIO的微控制器上运行，但性能可能相对较低。而硬件IIC则以其出色的性能为特点，但通常需要特定的硬件支持，并可能占用部分引脚资源。因此，在选择时需要根据实际应用场景进行权衡。
19.1.3 IIC控制器介绍
ESP32-S3有两个IIC总线接口，根据用户的配置，总线接口可以用作IIC主机或从机模式。IIC接口特点：
l 可支持标准模式（100Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s），速度最高可达800Kbit/s，但受限于SCL和SDA上拉强度。
l 可支持7位寻址模式和10位寻址模式
l 可支持双地址（从机地址和从机寄存器地址）寻址模式
下面介绍一下ESP32S3的IIC主机写入从机，7位寻址，单次命令序列的场景，如下图所示。
图19.1.3.1 IIC主机写7位寻址的从机
在ESP32-S3硬件IIC控制器中，都有相对应的空间存放相对应的内容。比如上图中，在cmd内存区中存放的是就是命令序列，就比如前面提及到的起始信号、写过程、读过程、停止信号；在RAM内存区中存放的就是某些命令序列携带的内容。
当主机在软件配置好命令序列和RAM数据后，操作寄存器启动数据传输时。控制器的行为可分为以下四步：
(1)等待SCL线位高电平，以避免SCL线被其他主机或者从机占用。
(2)执行RSTART命令发送START位。即发送起始信号。
(3)执行WRITE命令从RAM的首地址开始取出N+1个字节并一次发送给从机，其中第一个字节为地址。这个过程中会产生对应的时序，携带数据进行发送。
(4)发送STOP命令，即发送停止信号。
19.1.4 XL9555介绍
XL9555是一款24引脚的CMOS器件，支持IIC总线或SMBus接口进行驱动。XL9555器件是一个16位通用并行输入/输出(GPIO)扩展器，可用其GPIO连接按键、LED、传感器等，解决需要额外的I/O的需求。
l XL9555有如下特性：
l IIC总线至16位GPIO扩展器
l 工作电源电压范围为2.3 V至5.5 V
l 低待机电流消耗
l 5 V容错I/O端口
l 400 kHz快速模式IIC总线时钟频率
l SCL/SDA输入上的噪声滤波器
l 内部通电复位
l 器件地址由3个硬件地址引脚决定，最多可在总线上挂载8个器件
l 中断脚为开漏输出模式（低电平有效）
l 16个I/O引脚，默认为16个输入
简单概括一下，XL9555可使用400kHz速率的IIC通信接口与微控制器进行连接，也就是用2根通信线可扩展使用16个IO。XL9555器件地址会由三个硬件地址引脚决定，理论上在这个IIC总线上可挂载8个XL9555器件，足以满足IO引脚需求。XL9555上电进行复位，16个I/O口默认为输入模式，当输入模式的IO口状态发生变化时，即发生从高电平变低电平或者从低电平变高电平，中断脚会拉低。当中断有效后，必须对XL9555进行一次读取/写入操作，复位中断，才可以输出下一次中断，否则中断将一直保持。
XL9555引脚图如下图所示：
图19.1.4.1 XL9555器件引脚图
XL9555器件总共有24个管脚，分别为电源线VCC、地线GND、GPIO口、通信线、地址线，上图用不同底色标注出来了。16个IO分为了2组，一组是8个，分为是P0x和P1x，这些IO都可通过器件寄存器进行配置作为输出或者输出使用。通信线就是SDA和SCL，中断线INT也划分过来通信线。而地址线就是A0、A1和A2，用来决定器件地址。
1，XL9555寻址
要进行IIC通信，首先得知道器件地址，XL9555器件地址是7位的，具体格式如下图。
图19.1.4.2 XL9555器件地址
从上图可以知道，XL9555器件地址由两部分组成，一部分就是“Fixed bits”即固定的4位“0100”；另一部分就是“Programmable bits”即可编程的3位“A2 A1 A0”，在硬件上，都把这三个引脚接地处理，所以这三位为“000”。最终可得到，XL9555器件地址为“0100000”即0x20。读操作地址就为0x41，即0100 0001；写操作地址就为0x40，即0100 0000。
2， XL9555寄存器介绍
接下来，介绍一下XL9555器件的八个寄存器，如下图所示。
图19.1.4.3 XL9555寄存器
由于在IIC通信中，数据都是以字节作为单位，表示寄存器地址的数据也是1个字节。由于XL9555器件只有八个寄存器，所以这里1个字节用3个位表示，即Table 5中的B2、B1和B0。这8个寄存器都是XL9555器件的16个GPIO进行配置，其实分为4种：输入查询、输出设置、极性翻转和端口配置，每种都有两个寄存器对应的就是P0端口和P1端口。
地址0x00和0x01的寄存器是“Input Port0”和“Input Port1”寄存器，主要用于获取P0和P1的IO输入状态。寄存器如下图所示。
图19.1.4.4 XL9555的Input Port Register详情
该寄存器只反应引脚输入逻辑电平情况，不管IO是设置成输入还是输出模式。打个比方，从0x00地址处（Input Port 0 Register）读出的数据是0x55，以二进制展开为01010101，从高位到低位对应的就是P07~P00的IO状态，P00的输入电平状态就为高电平。
地址0x02和0x03的寄存器是“Output Port0”和“Output Port1”寄存器，主要用于设置P0和P1的IO输出电平。寄存器如下图所示。
图19.1.4.5 XL9555的Output Port Register详情
该寄存器设置的是已经配置成输出模式的IO口的IO输出状态，1代表的是高电平，0代表的都是低电平，配置IO为输出模式的寄存器为Configuration Port寄存器。寄存器的一些位值对已经设置成输入模式的IO口是没有影响的。该寄存器还支持读取，读取到的值只是设置值，并不是实际引脚电平值，实际电平值通过Input Port寄存器查询即可。
地址0x04和0x05的寄存器是“Polarity Inversion Port0”和“PolarityInversion Port1”寄存器，用于对端口0和端口1进行极性翻转。该寄存器值默认为0，所以对IO电平翻转功能并没有启用，且在本实验也没有用到，所以不做讲解，详细说明可看《XL9555数据手册》P13。
地址0x06和0x07的寄存器是“Configuration Port1”和“Configuration Port0”寄存器，用于配置P0和P1的IO输入/输出模式。寄存器如下图所示。
图19.1.4.6 XL9555的Configuration Port Register详情
该寄存器某一个位设置成1即作为输入模式，设置成0即作为输入模式。打个比方，要向0x06地址处（Configuration Port 0 Register）写入的数据是0x55，以二进制展开为01010101，从高位到低位对应的就是P07~P00的IO配置模式，P00、P02、P04、P06这四个IO口即配置为输入模式，而P01、P03、P05、P07这四个IO口配置为输出模式。XL9555上电复位后，所有IO口默认都是输入状态，即上图这两个寄存器读出来的值都是0xFF。
3， XL9555时序介绍
ESP32-S3是通过IIC总线跟XL9555进行通信的，对XL9555相关寄存器进行写入配置，对其16个IO进行使用。这里的时序主要就是写寄存器时序和读寄存器时序，我们一一介绍。
写寄存器时序
图19.1.4.7 单字节写入到寄存器时序图
上图中展示的是主机将单字节写入到寄存器的时序，主机在IIC总线发送第1个字节的数据为XL9555的写操作地址0x40（设备地址0x20 len != 0) { i2c_master_write(cmd, bufs->buf, bufs->len, ACK_CHECK_EN); /* len个数据 */ } } data_len += bufs->len; } if (flags & I2C_FLAG_STOP) { i2c_master_stop(cmd); /*停止位 */ }ret = i2c_master_cmd_begin(self->port, cmd, 100 * (1 + data_len) / portTICK_PERIOD_MS); i2c_cmd_link_delete(cmd); /* 释放命令链接使用的资源 */ return ret;}[/code]与STM32不同，ESP32在IIC的配置上提供了两个IIC端口，但是在开发过程中会用到使用不同IIC端口的外设，为了保持代码的最大兼容性与减少两个IIC端口在使用过程中的冲突，我们在iic.h文件里定义了包含IIC端口的结构体参数，同时在IIC初始化函数中实现对这两个IIC端口的判断，再激活IIC控制器驱动函数完成对IIC的初始化。
在i2c_transfer()函数中，我们创建一个命令链接，将一系列待发送给从机的数据填充命令链接，接下来器件通信时序去决定flags参数，进而选择代码不同的执行情况。在最后释放命令链接使用资源前触发I2C控制器执行命令链接，并赋值于ret用作函数返回值。
IIC驱动中对IIC的各种操作，例如产生IIC起始信号、产生IIC停止信号等，请读者结合IIC的时序规定查看本实验的配套实验源码。
3，xl9555.h文件
通过前面的介绍可知，XL9555器件有8个寄存器，而且16个IO口在寄存器的位置都是固定的，基于单个IO操作单位的考虑，故这里我们也定义了对应的宏，如下所示。4，xl9555.c文件
[code]/*** @brief 初始化XL9555* @param 无* @retval 无*/void xl9555_init(i2c_obj_t self){ uint8_t r_data[2]; if (self.init_flag == ESP_FAIL) { iic_init(I2C_NUM_0); /* 初始化IIC */ } xl9555_i2c_master = self; gpio_config_tgpio_init_struct = {0}; gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE; gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT; gpio_init_struct.pin_bit_mask = (1ull > 8)); do { err = xl9555_write_byte(XL9555_CONFIG_PORT0_REG, data, 2); if (err != ESP_OK) { retry--; vTaskDelay(100); ESP_LOGE("IIC", "%s configure %X failed, ret: %d", __func__, config_value, err); xl9555_failed = 1; if ((retry |
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