前边的几篇笔记将STM32HAL片内主要外设的用法总结了一下，然而我们需要很多外围电路进行拓展，比如我们需要外接存储器进行文件或数据存储，需要LCD屏进行交互等待，这些外接设备需要和芯片进行通信，这些通信协议是接下来几篇的内容。
I2C通信协议(Inter-Integrated Circuit)是由飞利浦公司开发的。由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要和USART、CAN等通讯协议一样的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路间的通讯。
如图所示是I2C通讯设备之间常用的连接方式。有如下几个特点：
I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
上述三图分别表示：主机向从机写数据；主机由从机中读取数据；复合通讯
图例： 图中阴影格表示数据由主机传输至从机，空白格表示数据由从机传输至主机
S ： 传输开始信号 ； SLAVE_ADDRESS: 从机地址；P ： 停止传输信号
R/W： 传输方向选择位，1 为读，0 为写；A/A： 应答(ACK)或非应答(NACK)信号
这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA 线的数据包序列。
其中S 表示由主机的I2C 接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C 总线上的所有从机都会接收到这个信号。
起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C 协议，这个从机地址可以是7 位或10 位。
在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1 时，则相反，即主机由从机读数据。
从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。
若配置的方向传输位为写数据方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N 个数据，这个N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号§，表示不再传输数据。
若配置的方向传输位为读数据方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N 个数据，这个N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
除了基本的读写，I2C 通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。
当SCL是高电平时SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当SCL是高电平时SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
SDA数据线在SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL 为高电平的时候SDA 表示的数据有效，即此时的SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA 的数据无效，一般在这个时候SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C 协议规定设备地址可以是7 位或10 位，实际中7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第8 位或第11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。读数据方向时，主机会释放对SDA 信号线的控制，由从机控制SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA 由主机控制，从机接收信号。
I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。
如图所示，传输时主机产生时钟，在第9 个时钟时，数据发送端会释放SDA 的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。
直接控制STM32 的两个GPIO 引脚，分别用作SCL 及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED 灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA 电平)，就可以实现I2C 通讯。这种遵循协议的标准通讯称之为“软件模拟协议”方式。
相对地，还有“硬件协议”方式，STM32 的I2C 片上外设专门负责实现I2C 通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU 的工作，且使软件设计更加简单。
STM32 的I2C 外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s 和400Kbit/s 的速率，支持7 位、10 位设备地址，支持DMA 数据传输，并具有数据校验功能。它的I2C 外设还支持SMBus2.0 协议，SMBus 协议与I2C 类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中。
I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的，STM32芯片有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚商，使用时必须配置到这些指定的引脚，这些引脚在CubeMX中可自动配置，也可查阅数据手册，手动配置。高级芯片还具有滤波器功能，能够有效过滤尖刺噪声。
SCL 线的时钟信号，由I2C 接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时
钟频率。配置I2C 的CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数。
I2C 的SDA 信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC 寄存器以及SDA 数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA 信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA 信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE 计算器运算，运算结果存储在“PEC 寄存器”中。当STM32 的I2C 工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32 的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32 的自身I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C 设备地址，两个地址分别存储在OAR1 和OAR2 中。
整体控制逻辑负责协调整个I2C 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1 和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C 中断信号、DMA 请求及各种I2C 的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。
使用I2C 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
图中的是“主发送器”流程，即作为I2C 通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。
主发送器发送流程及事件说明如下：
再来分析主接收器过程，即作为I2C 通讯的主机端时，从外部接收数据的过程。
主接收器接收流程及事件说明如下：
跟其它外设一样，STM32 HAL 库提供了I2C 初始化结构体及初始化函数来配置I2C 外设。初始化结构体及函数定义在库文件“ STM32F4xx_hal_i2c.h ” 及“STM32F4xx_hal_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。
代码如下（示例）：
typedef struct
{
uint32_t ClockSpeed; //设置SCL 时钟频率，此值要低于40 0000
uint32_t DutyCycle; /*指定时钟占空比，可选low/high = 2:1 及16:9 模式 */
uint32_t OwnAddress1; /*指定自身的I2C 设备地址1，可以是 7-bit 或者10-bit*/
uint32_t AddressingMode; /*指定地址的长度模式，可以是7bit 模式或者10bit 模式*/
uint32_t DualAddressMode; /*设置双地址模式 */
uint32_t OwnAddress2; /*指定自身的I2C 设备地址2，只能是 7-bit */
uint32_t GeneralCallMode; /*!< 指定广播呼叫模式 */
uint32_t NoStretchMode; /*!指定禁止时钟延长模式*/
} I2C_InitTypeDef;
这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL 库中定义的
宏：
如下为轮询查找的接口函数，同样也有中断和DMA方式的接口函数。
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Slave_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Slave_Receive(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_IsDeviceReady(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint32_t Trials, uint32_t Timeout);
一般情况下我们使用外部模块时，是用来采集数据的，那么I2C外设作为主机与外部模块进行通讯，向外部传感器读取数据。通过CubeMX配置完成后，调用读写函数完成具体操作即可。