玩單片機的朋友都知道IIC通信這個工具，但好多人只是會用，內(nèi)部的原理不求甚解，或是想要了解其原理，但卻對抽象的時序描述一頭霧水。本文將從實測的IIC波形入手，帶你看到真實的IIC樣子，進而去理解IIC的通信原理。

首先復習一下IIC基礎知識，這部分看不懂的請先帶著疑問，然后我們通過分析IIC的真實波形，這些疑問可能就豁然開朗了~

1.1 IIC是什么

IIC(Inter Integrated Circuit，集成電路總線)是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。它是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在 CPU (單片機)與IIC模塊之間、IIC模塊與IIC模塊之間進行雙向傳送。

IIC的一些特點：

• IIC是半雙工，而不是全雙工

• IIC是真正的多主機總線，（對比SPI在每次通信前都需要把主機定死，而IIC可以在通訊過程中，改變主機），如果兩個或更多的主機同時請求總線，可以通過沖突檢測和仲裁防止總線數(shù)據(jù)被破壞

• 起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，連接到IIC總線上的器件，若具有IIC總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號

• 在起始信號后必須發(fā)送一個7位從機地址+1位方向位，用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)，“1”表示主機接收數(shù)據(jù)。

• 每當主機向從機發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，主機總是需要等待從機給出一個應答信號，以確認從機是否成功接收到了數(shù)據(jù)

• 起始信號是必需的，結(jié)束信號和應答信號，都可以不要

注：實際使用中，一般是單片機作為主機，其它器件作為從機，單片機先向器件發(fā)送信息表示要讀取數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)變傳輸方向，器件發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機。

1.2 IIC物理連接

使用IIC通信的IIC器件有很多，比如陀螺儀加速度計MPU6050，EEPROM存儲芯片AT24C02等，通過IIC總線，可以與單片機之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

• IIC通信線只有只有兩根，數(shù)據(jù)線SDA的高低電平傳輸2進制的數(shù)據(jù)，時鐘線SCL通過方波信號提供時鐘節(jié)拍

• 多個IIC器件可以并聯(lián)在IIC總線上，每個器件有特定的地址，分時共享IIC總線

• 實際使用IIC當然還要連接電源以及共地哦

1.3 IIC時序

網(wǎng)上查找IIC的基礎知識，可能會搜到這樣的時序圖：

看起來好復雜的樣子，這時可能一部分人就放棄思考了。

1.3.1 IIC起始結(jié)束信號

好吧，換個簡單點的圖，你也可能會搜到這樣的圖：

這張圖看起來更簡單一些，描述了IIC的起始和停止條件：

• 起始：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由高到低

• 停止：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由低到高

注：SDA和SCL同時為高時，為IIC總線的空閑狀態(tài)

1.3.2 IIC應答

再來看下面這張圖：

這表示IIC的應答機制

• 下面的波形：SCL，主機產(chǎn)生的時鐘脈沖

• 上面的波形：SDA，主機發(fā)送的8位數(shù)據(jù)

• 中間的波形：SDA，從機在第9個時鐘信號進行拉低回應，表示收到了主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，拉高則表示不應答

注：實際上，上面和中間是同樣的SDA線，這里只是分開示意。因為IIC應答是一種相互關系，單片機發(fā)數(shù)據(jù)給IIC器件，IIC器件要進行應答，表示收到了數(shù)據(jù)，同樣，單片機接收IIC器件的數(shù)據(jù)后，也要給IIC器件一個應答。

既然發(fā)送完都需要對方回應，那什么時候使用不應答呢？就是在讀取到本次數(shù)據(jù)后，如果不需要繼續(xù)讀取，則發(fā)送非應答，對方以為你沒收到這次數(shù)據(jù)，則就不會繼續(xù)發(fā)送了。

1.3.3 IIC完整傳輸時序

• 開始標志（S）發(fā)出后，主設備會傳送一個7 位的Slave 地址，并且后面跟著一個第8位，稱為Read/Write 位。

• R/W 位表示主設備是在接受從設備的數(shù)據(jù)還是在向其寫數(shù)據(jù)。

• 然后，主設備釋放SDA 線，等待從設備的應答信號（ACK）。每個字節(jié)的傳輸都要跟隨有一個應答位。

• 應答產(chǎn)生時，從設備將SDA 線拉低并且在SCL 為高電平時保持低。

• 數(shù)據(jù)傳輸以停止標志（P）結(jié)束，然后釋放總線。但主設備也可以產(chǎn)生重復的開始信號去操作另一臺從設備，而不發(fā)出結(jié)束標志。

• 所有的SDA 信號變化都要在SCL 時鐘為低電平時進行，除了開始和結(jié)束標志

1.4 常用的數(shù)據(jù)收發(fā)方式(時序)

上面1.3小節(jié)是IIC的基礎時序，在實際使用中，一般是對某個IIC器件的某個寄存器進行讀寫操作，因此，對于寄存器的讀寫操作，還要遵循下面的組合時序邏輯。

1.4.1 寫一個字節(jié)

用于對IIC器件某個寄存器的配置，如對MPU6050的某些參數(shù)進行設置。

• 寫寄存器時，主設備除了發(fā)出開始標志和地址位，還要加一個R/W 位，0 為寫，1 為讀

• 在第9 個時鐘周期（高電平時），MPU6050 產(chǎn)生應答信號

• 主設備開始傳送寄存器地址，并接到應答

• 然后開始傳送寄存器數(shù)據(jù)，仍然要有應答信號

• 最后主設備發(fā)送停止信號。

1.4.2 連續(xù)寫多個字節(jié)

對連續(xù)地址的寫入，這個用的較少。

通信時序與上面的“寫一個字節(jié)”類似，上面是寫一個字節(jié)后就停止了，若要連續(xù)寫，則繼續(xù)寫即可，只要可以收到從機Ack。

1.4.3 讀一個字節(jié)

用于讀取IIC器件某個寄存器的數(shù)值。

• 首先由主設備產(chǎn)生開始信號，然后發(fā)送從設備地址位和一個寫數(shù)據(jù)位，等待應答

• 然后發(fā)送寄存器地址，才能開始讀寄存器

• 收到應答信號后，主設備再發(fā)一個開始信號，然后發(fā)送從設備地址位和一個讀數(shù)據(jù)位

• 然后，作為從設備的MPU6050 產(chǎn)生應答信號并開始發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)

• 通信以主設備產(chǎn)生的拒絕應答信號（nACK）和結(jié)束標志（Stop）結(jié)束

• 拒絕應答信號（nACK）產(chǎn)生定義為SDA 數(shù)據(jù)在第9 個時鐘周期一直為高

1.4.4 連續(xù)讀多個字節(jié)

也是用于讀取IIC器件某個寄存器的數(shù)值，當某些數(shù)據(jù)一位字節(jié)不夠表示，或有一組連續(xù)的數(shù)據(jù)需要讀時，可以使用該模式。

通信時序與上面的“讀一個字節(jié)”類似，上面是讀一個字節(jié)后就nAck叫停，若要連續(xù)寫，則發(fā)送Ack，直到不需要繼續(xù)讀時再回復nAck。

復習了這么多，之前對IIC懵懵懂懂的是否依然犯迷糊，好了，現(xiàn)在從理論進入實踐，看看真實的IIC是什么樣子。

下面這張圖(請橫屏觀看)是通過示波器抓取的IIC波形，可以看到：

• 時鐘線SCL是一種間歇性的方波（需要通信時才產(chǎn)生方波）

• 數(shù)據(jù)線SDA根據(jù)SCL提供的節(jié)拍，高電平代表數(shù)據(jù)1，低電平代表數(shù)據(jù)0

• 沒有數(shù)據(jù)傳輸時，SDA和SCL均為高電平狀態(tài)

• 起始信號后，數(shù)據(jù)是9個一組，包括8位的數(shù)據(jù)和另一方的1位回應

圖中紅色數(shù)字表示單片機發(fā)送的8位數(shù)據(jù)，黃色數(shù)字表示IIC器件回應的信號，低電平0表示器件收到了單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在對IIC波形有沒有多了一些直觀的認識？下面再進入編程階段，看看程序是怎么控制這兩根線的。

IIC通信可以使用單片機自帶的硬件IIC，它提供了固定的引腳接口和函數(shù)庫。也可以自己通過軟件編寫來實現(xiàn)IIC時序，這時就可以任選引腳，也方便其它硬件平臺的移植。

下面通過軟件IIC的編寫，從軟件角度理解IIC通信邏輯。

以下函數(shù)都是單片機在執(zhí)行，即主機發(fā)出的動作，所以一定要從單片機的角度思考哦~

另外，不要看到程序就匆匆掠過，為幫助理解，我對代碼進行了一定的注解，仔細分析每條代碼，想想與IIC的邏輯如何對應起來，IIC邏輯還沒懂的，讀完本篇，分析過真實的IIC波形后，再來看看代碼，會有不一樣的體會。

起始IIC_Start()

//==================================//產(chǎn)生IIC起始信號//==================================void IIC_Start(void){    SDA_OUT();   //sda線輸出    IIC_SDA=1;        delay_us(2);        IIC_SCL=1;   //時鐘線為高時    delay_us(2);    IIC_SDA=0;   //數(shù)據(jù)線由高到低    delay_us(4);    IIC_SCL=0;   //時鐘線拉低，鉗住IIC總線，準備發(fā)送數(shù)據(jù)}

最后一句SCL拉低，然后就準備產(chǎn)生時鐘信號，發(fā)送數(shù)據(jù)了。

停止IIC_Stop()

//==================================//產(chǎn)生IIC停止信號//==================================void IIC_Stop(void){    SDA_OUT();  //sda線輸出    IIC_SCL=0;  //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！    delay_us(2);    IIC_SDA=0;    delay_us(2);    IIC_SCL=1;  //時鐘線為高時    IIC_SDA=1;  //數(shù)據(jù)線由低到高    delay_us(4);                                }

停止前也要確保SCL是拉低的狀態(tài)。

最后SDA和SCL都為高，即釋放IIC總線，IIC總線進入空閑狀態(tài)。

等待應答IIC_wait_Ack()

//==================================//等待應答信號到來//用于發(fā)送模式下，發(fā)送8位后，等待器件應答第9位//返回值：1，接收應答失敗//        0，接收應答成功//==================================u8 IIC_Wait_Ack(void){    u8 ucErrTime=0;    SDA_IN();                 //SDA設置為輸入      IIC_SDA=1;delay_us(1);    //SDA先拉高，若被從機拉低則說明收到應答信號    IIC_SCL=1;delay_us(1);    //SCL拉高，產(chǎn)生第9位的脈沖    while(READ_SDA)    {        ucErrTime++;        if(ucErrTime>250)        {            IIC_Stop();            return 1;        }    }    IIC_SCL=0;//時鐘輸出0   //SCL拉低，結(jié)束第9位的脈沖    return 0;  }

在一定是時間內(nèi)檢測SDA是否被從機拉低，被拉低則說明從機收到了數(shù)據(jù)。

產(chǎn)生應答IIC_Ack()

//==================================//產(chǎn)生ACK應答//用于讀取模式(SDA為in)讀了8位器件數(shù)據(jù)后，在第9位給出一個應答，我還要繼續(xù)讀//==================================void IIC_Ack(void){    IIC_SCL=0;    //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！    SDA_OUT();    //SDA由讀取改為發(fā)送    delay_us(2);    IIC_SDA=0;    //拉低SDA，表示應答    delay_us(2);    IIC_SCL=1;    //SCL先上升    delay_us(2);    IIC_SCL=0;    //SCL再下降，形成一個脈沖，應答才生效}

單片機在接收器件數(shù)據(jù)后，進行回應，表示接收到了器件的數(shù)據(jù)。

該函數(shù)用在連續(xù)讀取多個字節(jié)時，每讀完一個字節(jié)(8位)，產(chǎn)生回應，表示還要進行讀，這時器件就可以繼續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)了。

當單片機不需要繼續(xù)讀，如連續(xù)讀的最后一個字節(jié)，或只讀一個字節(jié)，單片機發(fā)送非應答信號，這時器件以為單片機沒有收到數(shù)據(jù)，接下來就不會再發(fā)數(shù)據(jù)了。

非應答函數(shù)如下，就是拉高SDA：

不產(chǎn)生應答IIC_nAck()

//==================================//不產(chǎn)生ACK應答//用于讀取模式(SDA為in)讀了8位器件數(shù)據(jù)后，在第9位給出一個應答，我不想讀了//==================================void IIC_NAck(void){    IIC_SCL=0;    //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！    SDA_OUT();    //SDA由讀取改為發(fā)送    IIC_SDA=1;    //拉高SDA，表示不應答    delay_us(2);    IIC_SCL=1;    //SCL先上升    delay_us(2);    IIC_SCL=0;    //SCL再下降，形成一個脈沖，不應答才生效}

IIC發(fā)送一個字節(jié)

//==================================//IIC發(fā)送一個字節(jié)//返回從機有無應答//1，有應答//0，無應答//==================================void IIC_Send_Byte(u8 txd){                            u8 t;      SDA_OUT();                 //SDA發(fā)送模式    IIC_SCL=0;                 //拉低時鐘開始數(shù)據(jù)傳輸    for(t=0;t<8;t++)    {                      IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; //SDA高低電平表示數(shù)據(jù)1和0        txd<<=1;              delay_us(2);           //對TEA5767這三個延時都是必須的        IIC_SCL=1;             //SCL先上升        delay_us(2);        IIC_SCL=0;             //SCL再下降，形成一個脈沖，發(fā)送一位數(shù)據(jù)生效        delay_us(2);    }}

發(fā)送一個字節(jié)，就是分8次循環(huán)，產(chǎn)生8個時鐘信號，并將SDA賦值為0或1。

IIC讀取一個字節(jié)

//==================================//讀1個字節(jié)//ack=1時，發(fā)送ACK，ack=0，發(fā)送nACK  //==================================u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack){    unsigned char i,receive=0;    SDA_IN();                  //SDA輸入模式    for(i=0;i<8;i++ )    {        IIC_SCL=0;             //SCL先下降，通過循環(huán)，形成時鐘脈沖        delay_us(2);        IIC_SCL=1;             //SCL上升        receive<<=1;        if(READ_SDA)            receive++;         //讀取并組合記錄數(shù)據(jù)，++表示讀到1了，最低位置1        delay_us(1);    }    //讀取8位后，主機需要變?yōu)榘l(fā)送模式，在第9位進行應答或不應答    //此時CLK還是高電平狀態(tài)，不過下面的應答會先將CLK拉低的    if (!ack)    {        //讀1個字節(jié)，或讀多個字節(jié)讀到最后一個字節(jié)時，使用nACK        //然后配合使用IIC停止信號        IIC_NAck();//發(fā)送nACK    }    else    {        //讀多個字節(jié)還沒讀完時，使用ACK，表示現(xiàn)在讀的ok，還要繼續(xù)讀        IIC_Ack(); //發(fā)送ACK    }           return receive;}

讀取一個字節(jié)，也是分8次循環(huán)，產(chǎn)生8個時鐘信號，并讀取SDA的高低電平信號，最后，根據(jù)要不要繼續(xù)讀下一個字節(jié)，發(fā)送第9位的Ack或nACK。

4.1 讀取從機數(shù)據(jù)（單字節(jié)讀）

下面這張圖(請橫屏觀看)展示IIC讀某個器件的寄存器的一個字節(jié)的真實波形（注：實際是讀了2個不同寄存器的值，每個寄存器讀了1個字節(jié)，所以，可以先只看前半部分哦~），我已對波形進行了詳細的注解，并留意一下顏色區(qū)分。

對照著圖，再來溫習一下各個信號的特點：

• 起始信號：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由高到低

• 停止信號：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由低到高

• 數(shù)據(jù)信號：連續(xù)的8位，每一個SCL脈沖時鐘對應的SDA，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0

• 應答信號：第9位(數(shù)據(jù)信號后)，由對方產(chǎn)生的回應，0為產(chǎn)生回應，1為不產(chǎn)生回應

上面這幅圖中，單片機先產(chǎn)生起始信號，然后發(fā)送7位器件地址+1位寫標志(綠色的0)，并等待從機回應(從機拉低SDA表示收到數(shù)據(jù))，接著發(fā)送8位寄存器地址，并等待從機回應。然后，單片機先再次產(chǎn)生起始信號，發(fā)送7位器件地址+1位讀標志(綠色的1)，并等待從機回應。從機收到讀的信號后，從機開始發(fā)送8位數(shù)據(jù)，主機接收到數(shù)據(jù)后，主機發(fā)送nAck不應答信號（圖中的Ack(1)，主機將SDA拉高，從機則認為主機剛才沒有收到它發(fā)送的數(shù)據(jù)，從機將不再繼續(xù)發(fā)送），接著主機發(fā)送結(jié)束信號，讀取完成。

此圖后半部分是以相同方式讀了另一個寄存器的值。

另外，SCL信號都是由單片機產(chǎn)生，SDA信號由單片機和IIC器件(從機)共同產(chǎn)生，當需要對IIC器件的寄存器寫時，單片機產(chǎn)生SDA數(shù)據(jù)，當需要讀取IIC器件的寄存器數(shù)據(jù)時，改變傳輸方向，IIC器件產(chǎn)生SDA數(shù)據(jù)。

對于主機和從機什么時候控制SDA，還可以參考這個圖幫助理解：

4.2 讀取從機數(shù)據(jù)（多字節(jié)讀）

上面是單字節(jié)讀的波形，再來看看多字節(jié)的波形，前面的寫器件地址、寫寄存器地址1與單字節(jié)讀一樣，這張圖只顯示了后面不一樣的部分，主要區(qū)別在于單片機接收到數(shù)據(jù)1后，產(chǎn)生低電平的應答，從而可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)2。

（注意，因為傳感器這次測得的數(shù)據(jù)不一樣，所以讀出的數(shù)據(jù)也不一樣哦~）

注：以上的IIC真實波形，是使用是硬件IIC，自己編寫的軟件IIC測得的波形，可能在兩個信號的前后延時時間上稍有差別，但整體的時序邏輯肯定是一樣的。

4.3 配置從機寄存器（單字節(jié)寫與多字節(jié)寫）

對于寄存器的配置，也就是IIC的寫寄存器操作，我就不放圖了，參考上面的“常用的數(shù)據(jù)收發(fā)方式(時序)”以及上面的IIC讀寄存器的真實波形，IIC的寫寄存器的真實波形，應該可以腦補出哦，哈哈~

審核編輯 ：李倩