IIC总线详解

2022-09-09 15:33:12 作者：互联网

一.IIC简介
二.IIC物理层
三.IIC特点
四.IIC协议规则
五. 数据读写三种方式
六参考引用

一.IIC简介

IIC（Inter-Integrated Circuit）集成电路总线，它是一种串行通信总线，又叫I2C，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年推出的。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，一般可达400kbps 以上，属于半双工同步传输型总线。

二.IIC物理层

IIC总线的硬件，是由一根数据线SDA，一根时钟线SCL构成。不同的器件，都是并联接在这两条线上，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。
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的
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的

IIC总线通过上拉电阻接到电源VCC，电阻大小要根据设备实际测量。
总线空闲的时候，SDA和SCL都是高电平。
当其中一个设备拉低总线，整条线就全是低电平，器件与器件之间"与"关系。

三.IIC特点

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。
  IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
  IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
  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。
  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）
  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。
  IIC是半双工，而不是全双工 ，同一时间只可以单向通信，IIC协议首先是发送从机硬件地址，然后发送命令，再发送数据/寄存器编号或者读取数据。IIC协议可以多字节连续读写数据。
  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。

四.IIC协议规则

1.总线时序图

在起始条件产生后，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。

2.初始(空闲)状态

因为IIC的 SCL 和SDA 都需要接上拉电阻，保证空闲状态的稳定性
所以IIC总线在空闲状态下SCL 和SDA都保持高电平

/**
 * I2C初始化
 */
static void I2C_Init()
{
    SCL_H();     //首先把时钟线拉高
    delay_us(4);
    SDA_H();     //在SCL为高的情况下把SDA拉高
    delay_us(4);
}

3.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,比如发送设备唯一地址。

/**
 * 产生IIC起始信号
 * 1.先拉高SDA,在拉高SCL,空闲状态
 * 2.拉低SDA SCL
 */
static void I2C_Start(void)
{
    SDA_H();
    SCL_H();
    delay_us(5);
    SDA_L();
    delay_us(5);
    SCL_L();
}

4.停止信号

停止信号：SCL保持高电平，SDA由低电平变为高电平。

/**
 * 产生IIC停止信号
 * 1.先拉低SDA,再拉低SCL
 * 2.拉高SCL
 * 3.拉高SDA
 * 4.停止接收数据
 */
static void I2C_Stop(void)
{
    SCL_L();
    SDA_L();     //STOP:当SCL高时,数据由低变高
    delay_us(4);
    SCL_H();
    SDA_H();     //发送I2C总线结束信号
    delay_us(4);
}

5.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

/**
 * 主机产生应答信号ACK
 * 1.先拉低SCL，再拉低SDA
 * 2.拉高SCL
 * 3.拉低SCL
 */
static void I2C_Ack(void)
{
    SCL_L();    //先拉低SCL,使得SDA数据可以发生改变
    SDA_L();    //拉低SDA，产生应答信号
    delay_us(2);
    SCL_H();
    delay_us(5);
    SCL_L();
}

/**
 * 主机不产生应答信号NACK
 * 1.先拉低SCL，再拉高SDA
 * 2.拉高SCL
 * 3.拉低SCL
 */
static void I2C_NAck(void)
{
    SCL_L();    //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
    SDA_H();    //拉高SDA，不产生应答信号
    delay_us(2);
    SCL_H();
    delay_us(5);
    SCL_L();
}

5.通信格式

起始信号之后，可以连续传输多个字节。然后以停止信号结束这一帧数据的传输。
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，
地址是根据硬件配置的，只有地址匹配的设备，才会处理总线上的数据。

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。