IIC總線入門知識科普

IIC 簡介

IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由NXP（原PHILIPS）公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。多用于主控制器和從器件間的主從通信，在小數據量場合使用，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是為了與低速設備通信而發明的，所以IIC的傳輸速率比不上SPI

IIC的物理層

IIC一共有只有兩個總線：一條是雙向的串行數據線ＳＤＡ，一條是串行時鐘線ＳＣＬ

SDA(Serial data)是數據線，D代表Data也就是數據，Send Data 也就是用來傳輸數據的

SCL(Serial clock line)是時鐘線，C代表Clock 也就是時鐘也就是控制數據發送的時序的

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

IIC主要特點：

通常我們為了方便把IIC設備分為主設備和從設備，基本上誰控制時鐘線（即控制SCL的電平高低變換）誰就是主設備。**

IIC主設備功能：主要產生時鐘，產生起始信號和停止信號

IIC從設備功能：可編程的IIC地址檢測，停止位檢測

IIC的一個優點是它支持多主控(multimastering)，其中任何一個能夠進行發送和接收的設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) 保證數據的穩定性，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

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

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

我們知道IIC的所有設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備進行通信，那么這時候其余的空閑設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的空閑狀態只能有外部上拉，而此時空閑設備被拉到了高阻態，也就是相當于斷路，整個IIC總線只有開啟了的設備才會正常進行通信，而不會干擾到其他設備。

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：

I2C 總線在物理連接上非常簡單，分別由SDA(串行數據線)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，來產生I2C總線協議所需要的信號進行數據的傳遞。在總線空閑狀態時，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的任務協調與分配，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，進行數據通訊。

發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的協議層

I2C 總線在傳送數據過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

開始信號：SCL 為高電平時，SDA 由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。

結束信號：SCL 為高電平時，SDA 由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。

應答信號：接收數據的 IC 在接收到 8bit 數據后，向發送數據的 IC 發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU 向受控單元發出一個信號后，等待受控單元發出一個應答信號，CPU 接收到應答信號后，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。

這些信號中，起始信號是必需的，結束信號和應答信號，都可以不要。

IIC 總線時序圖

下面我們來詳細的介紹下IIC的通信協議流程：

初始(空閑)狀態

因為IIC的 SCL 和SDA 都需要接上拉電阻，保證空閑狀態的穩定性

所以IIC總線在空閑狀態下SCL 和SDA都保持高電平

代碼：

開始信號：

SCL保持高電平，SDA由高電平變為低電平后，延時(>4.7us)，SCL變為低電平。

代碼表示：

停止信號

停止信號：SCL保持高電平。SDA由低電平變為高電平。

在起始條件產生后，總線處于忙狀態，由本次數據傳輸的主從設備獨占，其他I2C器件無法訪問總線；而在停止條件產生后，本次數據傳輸的主從設備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態。

數據有效性

IIC信號在數據傳輸過程中，當SCL=1高電平時，數據線SDA必須保持穩定狀態，不允許有電平跳變，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。

SCL=1時數據線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傳輸數據的過程中，SCL時鐘線會頻繁的轉換電平，以保證數據的傳輸

應答信號

每當主機向從機發送完一個字節的數據，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據，

應答信號：主機SCL拉高，讀取從機SDA的電平，為低電平表示產生應答

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

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

**每發送一個字節（8個bit）**在一個字節傳輸的8個時鐘后的第九個時鐘期間，接收器接收數據后必須回一個ACK應答信號給發送器，這樣才能進行數據傳輸。

應答出現在每一次主機完成8個數據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，

等待應答信號：

IIC數據傳送

數據傳送格式

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

當一個字節按數據位從高位到低位的順序傳輸完后，緊接著從設備將拉低SDA線，回傳給主設備一個應答位ACK，此時才認為一個字節真正的被傳輸完成，如果一段時間內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據。

IIC寫數據：

多數從設備的地址為7位或者10位，一般都用七位。

八位設備地址=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據傳輸的方向，

0表示主設備向從設備(write)寫數據，

1表示主設備向從設備(read)讀數據

IIC的每一幀數據由9bit組成，

如果是發送數據，則包含 8bit數據+1bit ACK,

如果是設備地址數據，則8bit包含7bit設備地址 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”表示主機發送數據(W)，“1”表示主機接收數據（R）, 第9位為ACK應答位，緊接著的為第一個數據字節，然后是一位應答位，后面繼續第2個數據字節。

IIC發送一個字節數據：

IIC讀取一個字節數據：

IIC發送數據

Start: IIC開始信號，表示開始傳輸。

DEVICE_ADDRESS:: 從設備地址,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: 發送的數據

STOP: 停止信號。結束IIC

主機要向從機寫數據時：

主機首先產生START信號

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

主機發送地址時，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R/T位將自己確定為發送器和接收器

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，發送要訪問從機的那個地址，繼續等待從機的應答信號

當主機收到應答信號時，發送N個字節的數據，繼續等待從機的N次應答信號，

主機產生停止信號，結束傳送過程。

IIC讀數據：

主機要從從機讀數據時

主機首先產生START信號

然后緊跟著發送一個從機地址，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，發送要訪問的地址，繼續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(主機將由發送變為接收，從機將由接收變為發送)所以主機重新發送一個開始start信號，然后緊跟著發送一個從機地址，注意此時該地址的第8位為1，表明將主機設置成接收模式開始讀取數據，

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個字節的數據，當接收完成后，主機發送非應答信號，表示不在接收數據

主機進而產生停止信號，結束傳送過程。

以AT24C02為例子

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

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容：

芯片的尋址：

AT24C設備地址為如下，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）。

片內地址尋址：

芯片尋址可對內部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。

對應的修改 A2A1A0 三位數據即可

向AT24C02中寫數據

操作時序：

MCU先發送一個開始信號(START)啟動總線

接著跟上首字節，發送器件寫操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫數據(0xA0)

等待應答信號(ACK)

發送數據的存儲地址。24C02一共有256個字節的存儲空間，地址從0x00~0xFF，想把數據存儲>在哪個位置，此刻寫的就是哪個地址。

發送要存儲的數據第一字節、第二字節、…注意在寫數據的過程中，E2PROM每個字節都會>回應一個“應答位0”，老告訴我們寫E2PROM數據成功，如果沒有回應答位，說明寫入不成功。

發送結束信號（STOP）停止總線

注意：

在寫數據的過程中，每成功寫入一個字節，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，地址就會溢出又變成0x00。

寫數據的時候需要注意，E2PROM是先寫到緩沖區，然后再“搬運到”到掉電非易失區。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時，寫入一個字節之后，再寫入下一個字節之前，必須延時5ms才可以

從AT24C02中讀數據

讀當前地址的數據

2、讀隨機地址的數據

MCU先發送一個開始信號(START)啟動總線

接著跟上首字節，發送器件寫操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫數據(0xA0)

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

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

重新發送開始信號(START)

發送設備讀操作地址(DEVICE ADDRESS)對E2PROM進行讀操作 (0xA1)

E2PROM會自動向主機發送數據，主機讀取從器件發回的數據，在讀一個字節后，MCU會回應一個應答信號(ACK)后，E2PROM會繼續傳輸下一個地址的數據，MCU不斷回應應答信號可以不斷讀取內存的數據

如果不想讀了，告訴E2PROM不想要數據了，就發送一個“非應答位NAK(1)”。發送結束信號（STOP）停止總線

3、連續讀數據

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