浅谈 IIC I2C 总线协议

简介

IIC（也称I2C或I²C）总线是Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，是Inter-Integrated Circuit的缩写。

IIC只用两条双向线，一条SDA（Serial Data Line）和一条SCL（Serial Clock Line），两条都是开漏输出，需要通过上拉电阻接VCC。IIC是一个多主机的总线，任何连接到总线的节点都可以作为主机和从机，但同一时刻只能有一个主机。

IIC的理论理想传输距离为15M，但是由于干扰和传输速率的提高，实际上会远小于15M，一般只适合用于板极器件的通信，不适合中长距离通信。在高速模式下，IIC传输速度在标准模式下可达100Kbps，快速模式下可达400Kbps，高速模式下可达3.4Mbps，但是速度越快可靠性越低。

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硬件连接

主机和从机通过上图的方式接入总线，前面说到，IIC总线的SDA和SCL均需要通过上拉电阻接VCC。IIC使用7位寻址，除去0000000的广播地址，理论上一条IIC总线可以挂载2⁷ - 1 = 127个节点，每个节点有一个地址。

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通讯过程

1）位传输

IIC怎么通过SDA和SCL两条线来传输0和1比特位呢？首先SCL线必须是由主机时钟控制的，否则就乱套了，SDA主机从机都可以控制。如果主机或从机想要发送比特位“1”，则只要在SCL为高电平时，把SDA拉到高电平（“1”）。同理，想要发送比特位“0”，则只要在SCL为高电平时，把SDA拉到低电平（“0”）。

在正常的数据传输中，当SCL为高时，要求SDA的电平稳定，否则就会认为是其他动作，如下图：

当SCL为高，但是SDA由高变为低时，定义为起始动作，表示主机要开始传输数据了；当SCL为高，但是SDA由低变为高时，定义为停止动作，表示结束数据的传输。

2）数据帧

前面说到，我们已经可以发送“0”和“1”了，那具体怎么传数据呢？

主机与从机的通信数据帧如上图，流程如下：

1. 首先主机发送起始动作（S），总线上的从设备收到后就知道主机要读/写数据了。
2. 然后主机发送要与其通信的从机的地址（SLAVE ADDRESS）和读写位（R/W）表示时要读还是写，从机在收到地址时与自己的地址比对，发现与自己地址相符时拉低SDA线表示ACK，其他与地址不符的从机自动退出此次通讯。
3. 这时主机还需要发送要访问的寄存器地址，上图没有体现出来，但是流程跟发送从机地址是一样的，后面也要从机ACK。
4. 这时候主机就开始传输数据，每传输完一个Byte从机就回复一个ACK。
5. 最后传输完毕主机发送停止动作（P），然后主从机释放总线。

这里的ACK是从机对主机的响应，主机每次发完数据后会释放SDA并监听SDA的电平。如果从机正常接收到数据，则把SDA的电平拉低，主机检测到SDA电平变低了，说明数据被成功接收。如果SDA在主机监听时间范围内还是处于高电平，则说明数据接收失败。

下图是主机从从机读数据时总线上电平变化，这里需要注意的是主机需要读取数据时，需要先告诉从机和要读的寄存器地址（DUMMY WRITE），然后再一次发送起始动作和从机地址，随后开始释放SDA并监听。此时由从机控制SDA的电平，图中DATA n段就是从机控制SDA电平来向主机发数据，同样，主机每接收完一个Byte后发ACK。

下图是主机往从机写数据时总线上电平变化。