嵌入式通信协议之一：IIC协议

IIC协议

IIC 简介

I²C（Inter-Integrated Circuit），中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。

I2C总线支持任何IC生产过程（NMOS、CMOS、双极性）。两线——串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线存在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有唯一的地址识别（无论是微控制器、LCD驱动器、存储器或者键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的共能决定）。很明显，LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机（见下表）。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。此时，任何被寻址的器件都被认为是从机

术语	描述
发送器	发送数据到总线的器件
接收器	从总线接收数据的器件
主机	初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件
从机	被主机寻址的器件
多主机	同时有多于一个主机尝试控制总线，但不破坏报文
仲裁	是一个在有多主机同时尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏的过程
同步	两个或者多个器件同步时钟信号的过程

IIC的物理层

IIC一共有只有两个总线： 一条是双向的串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL

• SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据

• SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序

所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

1. IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
2. IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
3. IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)， 其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
4. 支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）
5. SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰。
6. IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信
7. 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。

注：
IIC的高阻态：漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻

为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉， 而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路， 整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

IIC协议层

开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

开始信号

SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时（>4.7us），SCL变为低电平。

停止信号

停止信号：SCL保持高电平，SDA由低电平变为高电平

在起始条件产生之后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生之后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。

数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，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。

SCL=1时 数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

应答信号
每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

• 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。
  

每发送一个字节（8个bit在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，

IIC数据传送

数据传送格式
SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

IIC写数据：

多数从设备的地址为7位或者10位，一般都用七位。
八位设备地址=7位从机地址+读/写地址，

再给地址添加一个方向位位用来表示接下来数据传输的方向，

• 0表示主设备向从设备(write)写数据，

• 1表示主设备向从设备(read)读数据

IIC的每一帧数据由9bit组成，

如果是发送数据，则包含 8bit数据+1bit ACK,

如果是设备地址数据，则8bit包含7bit设备地址 1bit方向

在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位) 1~7位为7位接收器件地址，第8位为读写位，用“0”表示主机发送数据(W)，“1”表示主机接收数据 （R）, 第9位为ACK应答位，紧接着的为第一个数据字节，然后是一位应答位，后面继续第2个数据字节。

IIC发送数据

主机要向从机写数据时：

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数>据方 向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)
3. 主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进>行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为>发送器和接收器
4. 这时候主机等待从机的应答信号(A)
5. 当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址， 继续等待从机的>应答信号
6. 当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应>答信号，
7. 主机产生停止信号，结束传送过程。

IIC读数据

主机要从从机读数据时

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从>机写命令，
3. 这时候主机等待从机的应答信号(ACK)
4. 当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，
5. 当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设 置成接收模式开始读取数据，
6. 这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据
7. 主机进而产生停止信号，结束传送过程。