IIC 簡介

IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由NXP（原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(shè)備。多用于主控制器和從器件間的主從通信，在小數(shù)據(jù)量場合使用，傳輸距離短，任意時刻只能有一個主機等特性。

在 CPU 與被控 IC 之間、IC 與 IC 之間進行雙向傳送，高速 IIC 總線一般可達 400kbps 以上。

PS：這里要注意IIC是為了與低速設(shè)備通信而發(fā)明的，所以IIC的傳輸速率比不上SPI

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IIC的物理層

IIC一共有只有兩個總線：一條是雙向的串行數(shù)據(jù)線ＳＤＡ，一條是串行時鐘線ＳＣＬ

SDA(Serial data)是數(shù)據(jù)線，D代表Data也就是數(shù)據(jù)，Send Data 也就是用來傳輸數(shù)據(jù)的

SCL(Serial clock line)是時鐘線，C代表Clock 也就是時鐘 也就是控制數(shù)據(jù)發(fā)送的時序的

所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。I2C總線上的每個設(shè)備都自己一個唯一的地址，來確保不同設(shè)備之間訪問的準確性。

IIC主要特點：

通常我們?yōu)榱朔奖惆袸IC設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，基本上誰控制時鐘線（即控制SCL的電平高低變換）誰就是主設(shè)備。**

IIC主設(shè)備功能：主要產(chǎn)生時鐘，產(chǎn)生起始信號和停止信號

IIC從設(shè)備功能：可編程的IIC地址檢測，停止位檢測

IIC的一個優(yōu)點是它支持多主控(multimastering)， 其中任何一個能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

支持不同速率的通訊速度，標準速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）

SCL和SDA都需要接上拉電阻 (大小由速度和容性負載決定一般在3.3K-10K之間) 保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，減少干擾。

IIC是半雙工，而不是全雙工 ，同一時間只可以單向通信

為了避免總線信號的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（OD）輸出或集電極開路（OC）輸出。這一點在等下我們會講解

IIC的高阻態(tài)

漏極開路（Open Drain）即高阻狀態(tài)，適用于輸入/輸出，其可獨立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài)，若需要產(chǎn)生高電平，則需使用外部上拉電阻

高阻狀態(tài)：高阻狀態(tài)是三態(tài)門電路的一種狀態(tài)。邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門電路。電路分析時高阻態(tài)可做開路理解。

我們知道IIC的所有設(shè)備是接在一根總線上的，那么我們進行通信的時候往往只是幾個設(shè)備進行通信，那么這時候其余的空閑設(shè)備可能會受到總線干擾，或者干擾到總線，怎么辦呢？

為了避免總線信號的混亂，IIC的空閑狀態(tài)只能有外部上拉， 而此時空閑設(shè)備被拉到了高阻態(tài)，也就是相當于斷路， 整個IIC總線只有開啟了的設(shè)備才會正常進行通信，而不會干擾到其他設(shè)備。

IIC器件地址：每一個IIC器件都有一個器件地址，有的器件地址在出廠時地址就設(shè)定好了，用戶不可以更改,比如OV7670的地址為0x42。有的器件例如EEPROM，前四個地址已經(jīng)確定為1010，后三個地址是由硬件鏈接確定的，所以一IIC總線最多能連8個EEPROM芯片。

IIC物理層總結(jié)：

I2C 總線在物理連接上非常簡單，分別由SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串行時鐘線)及上拉電阻組成。通信原理是通過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號進行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時，SCL和SDA被上拉電阻Rp拉高，使SDA和SCL線都保持高電平。

I2C通信方式為半雙工，只有一根SDA線，同一時間只可以單向通信，485也為半雙工，SPI和uart通信為全雙工。

主機和從機的概念：

主機就是負責整個系統(tǒng)的任務協(xié)調(diào)與分配，從機一般是通過接收主機的指令從而完成某些特定的任務，主機和從機之間通過總線連接，進行數(shù)據(jù)通訊。

發(fā)布主要命令的稱為主機

接受命令的稱為從機

半雙工和全雙工：

IIC的協(xié)議層

I2C 總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應答信號。

開始信號：SCL 為高電平時，SDA 由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號：SCL 為高電平時，SDA 由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

應答信號：接收數(shù)據(jù)的 IC 在接收到 8bit 數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的 IC 發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU 向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU 接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應答信號，都可以不要。

IIC 總線時序圖

下面我們來詳細的介紹下IIC的通信協(xié)議流程：

初始(空閑)狀態(tài)

因為IIC的 SCL 和SDA 都需要接上拉電阻，保證空閑狀態(tài)的穩(wěn)定性

所以IIC總線在空閑狀態(tài)下SCL 和SDA都保持高電平

代碼：

開始信號：

SCL保持高電平，SDA由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，延時(>4.7us)，SCL變?yōu)榈碗娖健?/p>

代碼表示：

停止信號

停止信號：SCL保持高電平。SDA由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨占，其他I2C器件無法訪問總線；而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)。

數(shù)據(jù)有效性

IIC信號在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當SCL=1高電平時，數(shù)據(jù)線SDA必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有電平跳變，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

SCL=1時 數(shù)據(jù)線SDA的任何電平變換會看做是總線的起始信號或者停止信號。

也就是在IIC傳輸數(shù)據(jù)的過程中，SCL時鐘線會頻繁的轉(zhuǎn)換電平，以保證數(shù)據(jù)的傳輸

應答信號

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)，

應答信號：主機SCL拉高，讀取從機SDA的電平，為低電平表示產(chǎn)生應答

應答信號為低電平時，規(guī)定為有效應答位（ACK，簡稱應答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；

應答信號為高電平時，規(guī)定為非應答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。

**每發(fā)送一個字節(jié)（8個bit）**在一個字節(jié)傳輸?shù)?個時鐘后的第九個時鐘期間，接收器接收數(shù)據(jù)后必須回一個ACK應答信號給發(fā)送器，這樣才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

應答出現(xiàn)在每一次主機完成8個數(shù)據(jù)位傳輸后緊跟著的時鐘周期，低電平0表示應答，1表示非應答，

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等待應答信號：

IIC數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)傳送格式

SDA線上的數(shù)據(jù)在SCL時鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當SCL線上的時鐘信號為低時，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個字節(jié)必須是8位，數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。

當一個字節(jié)按數(shù)據(jù)位從高位到低位的順序傳輸完后，緊接著從設(shè)備將拉低SDA線，回傳給主設(shè)備一個應答位ACK， 此時才認為一個字節(jié)真正的被傳輸完成 ，如果一段時間內(nèi)沒有收到從機的應答信號，則自動認為從機已正確接收到數(shù)據(jù)。

IIC寫數(shù)據(jù)：

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多數(shù)從設(shè)備的地址為7位或者10位，一般都用七位。

八位設(shè)備地址=7位從機地址+讀/寫地址，

再給地址添加一個方向位位用來表示接下來數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?/p>

0表示主設(shè)備向從設(shè)備(write)寫數(shù)據(jù)，

1表示主設(shè)備向從設(shè)備(read)讀數(shù)據(jù)

IIC的每一幀數(shù)據(jù)由9bit組成，

如果是發(fā)送數(shù)據(jù)，則包含 8bit數(shù)據(jù)+1bit ACK,

如果是設(shè)備地址數(shù)據(jù)，則8bit包含7bit設(shè)備地址 1bit方向

在起始信號后必須傳送一個從機的地址(7位) 1~7位為7位接收器件地址，第8位為讀寫位，用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)(W)，“1”表示主機接收數(shù)據(jù) （R）, 第9位為ACK應答位，緊接著的為第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，然后是一位應答位，后面繼續(xù)第2個數(shù)據(jù)字節(jié)。

IIC發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)：

IIC讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)：

IIC發(fā)送數(shù)據(jù)

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Start: IIC開始信號，表示開始傳輸。

DEVICE_ADDRESS:: 從設(shè)備地址,就是7位從機地址

R/W：W(write)為寫，R(read)為讀

ACK：應答信號

WORD_ADDRESS ：從機中對應的寄存器地址 比方說訪問 OLED中的 某個寄存器

DATA: 發(fā)送的數(shù)據(jù)

STOP: 停止信號。結(jié)束IIC

主機要向從機寫數(shù)據(jù)時：

主機首先產(chǎn)生START信號

然后緊跟著發(fā)送一個從機地址，這個地址共有7位，緊接著的第8位是數(shù)據(jù)方 向位(R/W)，0表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)(寫)，1表示主機接收數(shù)據(jù)(讀)

主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，若相同，則認為自己正在被主機尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器和接收器

這時候主機等待從機的應答信號(A)

當主機收到應答信號時，發(fā)送要訪問從機的那個地址， 繼續(xù)等待從機的應答信號

當主機收到應答信號時，發(fā)送N個字節(jié)的數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待從機的N次應答信號，

主機產(chǎn)生停止信號，結(jié)束傳送過程。

IIC讀數(shù)據(jù)：

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主機要從從機讀數(shù)據(jù)時

主機首先產(chǎn)生START信號

然后緊跟著發(fā)送一個從機地址，注意此時該地址的第8位為0，表明是向從機寫命令，

這時候主機等待從機的應答信號(ACK)

當主機收到應答信號時，發(fā)送要訪問的地址，繼續(xù)等待從機的應答信號，

當主機收到應答信號后，主機要改變通信模式(主機將由發(fā)送變?yōu)榻邮?，從機將由接收變?yōu)榘l(fā)送)所以主機重新發(fā)送一個開始start信號，然后緊跟著發(fā)送一個從機地址，注意此時該地址的第8位為1，表明將主機設(shè) 置成接收模式開始讀取數(shù)據(jù)，

這時候主機等待從機的應答信號，當主機收到應答信號時，就可以接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)，當接收完成后，主機發(fā)送非應答信號，表示不在接收數(shù)據(jù)

主機進而產(chǎn)生停止信號，結(jié)束傳送過程。

以AT24C02為例子

24C02是一個2K Bit的串行EEPROM存儲器（掉電不丟失），內(nèi)部含有256個字節(jié)。在24C02里面有一個8字節(jié)的頁寫緩沖器。

A0,A1,A2：硬件地址引腳

WP：寫保護引腳，接高電平只讀，接地允許讀和寫

SCL和SDA：IIC總線

可以看出對于不同大小的24Cxx，具有不同的從器件地址。由于24C02為2k容量，也就是說只需要參考圖中第一行的內(nèi)容：

芯片的尋址：

AT24C設(shè)備地址為如下，前四位固定為1010，A2~A0為由管腳電平。AT24CXX EEPROM Board模塊中默認為接地。A2~A0為000，最后一位表示讀寫操作。所以AT24Cxx的讀地址為0xA1,寫地址為0xA0。

也就是說如果是

寫24C02的時候，從器件地址為10100000（0xA0）；

讀24C02的時候，從器件地址為10100001（0xA1）。

片內(nèi)地址尋址：

芯片尋址可對內(nèi)部256B中的任一個進行讀/寫操作，其尋址范圍為00~FF，共256個尋址單位。

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對應的修改 A2A1A0 三位數(shù)據(jù)即可

向AT24C02中寫數(shù)據(jù)

操作時序：

MCU先發(fā)送一個開始信號(START)啟動總線

接著跟上首字節(jié)，發(fā)送器件寫操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫數(shù)據(jù)(0xA0)

等待應答信號(ACK)

發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲地址。24C02一共有256個字節(jié)的存儲空間，地址從0x00~0xFF，想把數(shù)據(jù)存儲>在哪個位置，此刻寫的就是哪個地址。

發(fā)送要存儲的數(shù)據(jù)第一字節(jié)、第二字節(jié)、…注意在寫數(shù)據(jù)的過程中，E2PROM每個字節(jié)都會>回應一個“應答位0”，老告訴我們寫E2PROM數(shù)據(jù)成功，如果沒有回應答位，說明寫入不成功。

發(fā)送結(jié)束信號（STOP）停止總線

注意：

在寫數(shù)據(jù)的過程中，每成功寫入一個字節(jié)，E2PROM存儲空間的地址就會自動加1，當加到0xFF后，再寫一個字節(jié)，地址就會溢出又變成0x00。

寫數(shù)據(jù)的時候需要注意，E2PROM是先寫到緩沖區(qū)，然后再“搬運到”到掉電非易失區(qū)。所以這個過程需要一定的時間，AT24C02這個過程是不超過5ms！

所以，當我們在寫多個字節(jié)時，寫入一個字節(jié)之后，再寫入下一個字節(jié)之前，必須延時5ms才可以

從AT24C02中讀數(shù)據(jù)

讀當前地址的數(shù)據(jù)

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2、讀隨機地址的數(shù)據(jù)

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MCU先發(fā)送一個開始信號(START)啟動總線

接著跟上首字節(jié)，發(fā)送器件寫操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫數(shù)據(jù)(0xA0)

注意：這里寫操作是為了要把所要讀的數(shù)據(jù)的存儲地址先寫進去，告訴E2PROM要讀取哪個地址的數(shù)據(jù)。

發(fā)送要讀取內(nèi)存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM讀取要哪個地址的信息。

重新發(fā)送開始信號(START)

發(fā)送設(shè)備讀操作地址(DEVICE ADDRESS)對E2PROM進行讀操作 (0xA1)

E2PROM會自動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機讀取從器件發(fā)回的數(shù)據(jù)，在讀一個字節(jié)后，MCU會回應一個應答信號(ACK)后，E2PROM會繼續(xù)傳輸下一個地址的數(shù)據(jù)，MCU不斷回應應答信號可以不斷讀取內(nèi)存的數(shù)據(jù)

如果不想讀了，告訴E2PROM不想要數(shù)據(jù)了，就發(fā)送一個“非應答位NAK(1)”。發(fā)送結(jié)束信號（STOP）停止總線

3、連續(xù)讀數(shù)據(jù)

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E2PROM支持連續(xù)寫操作，操作和單個字節(jié)類似，先發(fā)送設(shè)備寫操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后發(fā)送內(nèi)存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU會回應一個應答信號(ACK)后，E2PROM會繼續(xù)傳輸下一個地址的數(shù)據(jù)，MCU不斷回應應答信號可以不斷讀取內(nèi)存的數(shù)據(jù)。E2PROM的地址指針會自動遞增，數(shù)據(jù)會依次保存在內(nèi)存中。不應答發(fā)送結(jié)束信號后終止傳輸。

軟件IIC和硬件IIC

IIC分為軟件IIC和硬件IIC

軟件IIC：軟件IIC通信指的是用單片機的兩個I/O端口模擬出來的IIC，用軟件控制管腳狀態(tài)以模擬I2C通信波形，軟件模擬寄存器的工作方式。

硬件IIC：一塊硬件電路，硬件I2C對應芯片上的I2C外設(shè)，有相應I2C驅(qū)動電路，其所使用的I2C管腳也是專用的，硬件（固件）I2C是直接調(diào)用內(nèi)部寄存器進行配置。

硬件I2C的效率要遠高于軟件的，而軟件I2C由于不受管腳限制，接口比較靈活。

審核編輯：黃飛

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