通信协议（三）——IIC协议

1、基础知识

1.1 概念

        IIC通讯协议(Inter－Integrated Circuit，也常被写作I2C)是由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。IIC总线是一种共享的串行总线，是用于两个设备之间的短距离低速低数据量的数据通信，一般就用在PCB板卡上的设备之间，当然在芯片内部，做SOC设计时也可以把这种协议用在片上功能模块之间。

        IIC 通讯协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行 AD，图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的 X 射线管配置等等。除此之外，由于 I2C 协议占用引脚特别少，硬件实现简单，可扩展型强，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路 (IC)间的通讯。

IIC分类：
        硬件IIC：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。
        软件IIC：软件IIC：软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。

1.硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。
2.IIC是半双工通信方式

1.2 物理层 

        IIC只有两根信号线，一根是双向的数据通信线SDA，一根是有效使能和时钟双功能线SCL，所有接到IIC总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL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。IIC总线上允许连接多个主设备和多个从设备，一般情况下，主设备是单片机或者FPGA，其他都是从设备。

特点：

        1）它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 IIC 通讯总线中，可连接多个 IIC 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

        2） 一个 IIC 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步，是一种简单、双向、二线制、同步串行总线。

        3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

         4）总线通过上拉电阻接到电源。当 IIC 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

        5）多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

        6）IIC数据有三种传输速率，分别是标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

主机和从机的概念：

        主机就是负责整个系统的任务协调与分配，从机一般是通过接收主机的指令从而完成某些特定的任务，主机和从机之间通过总线连接，进行数据通讯。发布主要命令的称为主机，接受命令的称为从机。

IIC的高阻态:

        漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻。

        高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态。逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路。电路分析时高阻态可做开路理解。

        我们知道IIC的所有设备是接在一根总线上的，那么我们进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那么这时候其余的空闲设备可能会受到总线干扰，或者干扰到总线。为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉， 而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路， 整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

IIC物理层总结：

        IIC 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生IIC总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，SCL和SDA被上拉电阻Rp拉高，使SDA和SCL线都保持高电平。

        IIC通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，485也为半双工，SPI和uart通信为全双工。    

1.3 协议层

        IIC 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

        1）开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
        2）结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
        3）应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

IIC 总线时序图：

IIC的通信协议流程：

        ①表示“总线空闲状态”，在此状态下时钟信号 SCL 和数据信号 SDA 均保持高电平，此时无 IIC 设备工作。
        ②表示“起始信号”，在 IIC 总线处于“空闲状态”时，SCL 依旧保持高电平时，SDA 出现由高电平转为低电平的下降沿，产生一个起始信号，此时与总线相连的所有 IIC 设备在检测到起始信号后，均跳出空闲状态，等待控制字节的输入。

        ③表示“数据读/写状态”，在串行时钟线SCL为低电平状态时，SDA允许改变传输的数据位（1 为高电平，0为低电平），在SCL为高电平状态时，SDA要求保持稳定，相当于一个时钟周期传输1bit数据，经过8个时钟周期后，传输了8bit数据，即一个字节。第8个时钟周期末，主机释放SDA以使从机应答，在第9个时钟周期，从机将SDA拉低以应答；如果第9个时钟周期，SCL为 高电平时，SDA未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。需要注意数据以8bit即一个字节为单位串行发出，其最先发送的是字节的最高位。

        ④表示“停止信号”，完成数据读写后，时钟 SCL 保持高电平，当数据 SDA 产生一个由低电平转为高电平的上升沿时，产生一个停止信号，IIC 总线跳转回“总线空闲状态”。

 “数据读/写状态”时序如下图：

        在串行时钟线SCL为低电平状态时，SDA允许改变传输的数据位（1 为高电平，0为低电平），在SCL为高电平状态时，SDA要求保持稳定，相当于一个时钟周期传输1bit数据，经过8个时钟周期后，传输了8bit数据，即一个字节。

        第8个时钟周期末，主机释放SDA以使从机应答，在第9个时钟周期，从机将SDA拉低以应答；如果第9个时钟周期，SCL为 高电平时，SDA未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。需要注意数据以8bit即一个字节为单位串行发出，其最先发送的是字节的最高位。 

 1.4 IIC器件地址和存储地址

IIC器件地址：

        每一个IIC器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设定好了，用户不可以更改，比如OV7670的地址为0x42。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定为1010，后三个地址是由硬件链接确定的，所以一IIC总线最多能连8个EEPROM芯片。

        IIC地址：

        我们知道IIC总线是一个支持多设备的总线，所有设备都共享一根数据线SDA。那么当数据线上传输数据时，每个设备如何才能知道这次传输是传给自己的呢？这就需要每个设备都有一个唯一的地址，每个 I2C 设备都具备7位器件地址。

        通常情况下，主机在与从机建立通讯时，主机会将控制命令直接发送到串行数据线 SDA 上，与主机硬件相连的从机设备都会接收到主机发送的控制命令。所有从机设备在接收到 主机发送的控制命令后会与自身器件地址做对比；若两者地址相同，该从机设备会回应一个应答信号告知主机设备，主机设备接收到应答信号后，主从设备建立通讯连接，两者即可开始进行数据通讯。

       除了器件地址位，从机设备还有寄存器地址用于寻址寄存器。在数据传输过程中表明寄存器地址，就可以往特定寄存器写入数据。寄存器地址依据从机寄存器数量分为8位、16位。

"如果主机向从机发送地址，从机怎么知道这个地址就是主机的，这个地址是如何计算"

       严格讲，主机不是向从机发送地址，而是主机往总线上发送地址（这个地址是某个从机的，而不是主机的，所以不存在“从机怎么知道这个地址就是主机的”的问题），所有的从机都能接收到主机发出的地址，然后每个从机都将主机发出的地址与自己的地址比较，如果匹配上了，这个从机就会向主机发出一个响应信号。主机收到响应信号后，开始向总线上发送数据，与这个从机的通讯就建立起来了。如果主机没有收到响应信号，则表示寻址失败。

主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。

1）如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；
2）如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，主机负责产生定时时钟和终止数据传送。这也就是主器件对于从器件的两种操作，即写操作和读操作。

1.5 IIC读写操作

（1）数据写操作

单字节数据写操作

Start: IIC开始信号，表示开始传输。
DEVICE_ADDRESS：从设备地址,就是7位从机地址
R/W： W(write)为写，R(read)为读
ACK： 应答信号
WORD_ADDRESS：从机中对应的寄存器地址 比方说访问 OLED中的 某个寄存器
DATA: 发送的数据
STOP: 停止信号。结束IIC

标准流程为：

        Master发起START
        Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
        Slave发送ACK
        Master发送reg addr（8bit），等待ACK
        Slave发送ACK
        Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
        Slave发送ACK
        第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
        Master发起STOP

        主机写数据到从机（传输的方向不会改变，即若要改变传输方向必须先发送stop条件）

传输的具体细节：

   1.主机控制SDA, 主机首先产生START信号;

   2.主机控制SDA，依次设置要寻址的7位从机地址(A6-A0)，外加1位数据方向位R/W，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)；

   3.从机控制SDA，如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA），否则发送NACK（拉高SDA）；

   4.主机控制SDA， 依次设置从机中的8位寄存器地址(B7-B0)，主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器；

   5.从机控制SDA， 如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA）， 否则发送NACK（拉高SDA），这时候主机等待从机的应答信号(A)；

   6.主机控制SDA，当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址， 继续等待从机的应答信号；

   7.当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号；

   8.主机控制SDA，产生停止条件，停止发送。

IIC应答信号：

每字节发送完毕都需要有一个应答信号。

Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
即在第9个clock，若Slave发ACK，SDA会被拉低。
若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程。

        每字节发送完毕都需要有一个应答信号，主机接收到应答信号后，向从机发从停止信号。

     单字节写操作中，主机一次向从机中写入单字节数据；页写操作中，主机一次可向从机写入多字节数据(适合大批量数据写入，省时)。       

        需要注意的是，所有 I2C 设备均支持单字节数据写入操作，但只有部分 I2C 设备支持页写操作； 且支持页写操作的设备，一次页写操作写入的字节数不能超过设备单页包含的存储单元数。

页写过程如下：

        (1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机设备，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后；

        (2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始存储地址的写 入。若为 2 字节地址，顺序执行操作；若为单字节地址跳转到步骤(5)；

        (3) 先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；

        (4) 待接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后，若为 2 字节地址，跳转到步骤(6)；

        (5) 按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

        (6) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，开始第一个单字节数据的写入；

        (7) 数据写入完成，主机接收到应答信号后，开始下一个单字节数据的写入；

        (8) 数据写入完成，主机接收到应答信号。若所有数据均写入完成，顺序执行操作 程；若数据尚未完成写入，跳回到步骤(7)；

        (9) 主机向从机发送停止信号，页写操作完成。

（2）数据读操作

 当前地址读操作过程如下：

1. 主机向从机发送控制命令，读写控制位设置为高电平，表示对从机进行数据读操作；
2. 主机接收到从机回传的应答信号后，开始接收从机传回的单字节数据；
3. 数据接收完成后，主机产生一个时钟的高电平无应答信号；
4. 主机向从机发送停止信号，单字节读操作完成。

随机读操作：

         上图为单字节地址，下图为2字节地址。

        主机读取从机中的数据 （传输的方向可以改变，即若要改变传输方向前无需发送stop条件） 

标准流程为：
        Master发送I2C addr（7bit）和w（写）操作0（1bit），等待ACK

        Slave发送ACK
        Master发送reg addr（8bit），等待ACK
        Slave发送ACK
        Master发起START
        Master发送I2C addr（7bit）和r（读）操作1（1bit），等待ACK
        Slave发送ACK
        Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
        Master发送ACK
        第7步和第8步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

传输的具体细节：

   1.主机控制SDA, 主机首先产生START信号;

   2.主机控制SDA，依次设置要寻址的7位从机地址(A6-A0)，外加1位的R/W(置为0)，表明是向从机写命令；

   3.从机控制SDA，如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA）， 否则发送NACK（拉高SDA）；

   4.主机控制SDA， 当主机收到应答信号时，发送要访问的地址(B7-B0)，继续等待从机的应答信号；

   5.从机控制SDA， 如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA）， 否则发送NACK（拉高SDA）；

   6.当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设 置成接收模式开始读取数据，

   7. 从机控制SDA， 如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA）， 否则发送NACK（拉高SDA）；

   8.从机控制SDA,  发送字节数据，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据；

   9.主机控制SDA, 如果可以回应就发送ACK位（拉低SDA）， 否则发送NACK（拉高SDA）；如果要发送STOP条件，必须将最后一个字节的响应设置为NACK(拉高SDA)。

顺序读操作：

        与随机读操作相比，读取的数据量要多。  IIC 顺序读操作就是对寄存器或存储单元数据的顺序读取。假如要读取 n 字节连续数 据，只需写入要读取第一个字节数据的存储地址，就可以实现连续 n 字节数据的顺序读取。

顺序读操作过程如下：

        (1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机设备，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后；

        (2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始存储地址的写 入。若为 2 字节地址，顺序执行操作；若为单字节地址跳转到步骤(5)；

        (3) 先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；

        (4) 待接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后，若为 2 字节地址，跳转到步骤(6)；

        (5) 按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

        (6) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，主机再次向从机发送一个起始信号；

        (7) 主机向从机发送控制命令，读写控制位设置为高电平，表示对从机进行数据读操作；

        (8) 主机接收到从机回传的应答信号后，开始接收从机传回的第一个单字节数据；

        (9) 数据接收完成后，主机产生应答信号回传给从机，从机接收到应答信号开始下一字节数据的传输，若数据接收完成，执行下一操作步骤；若数据接收未完成，在此执行步骤(9)；

        (10) 主机产生一个时钟的高电平无应答信号；

        (11) 主机向从机发送停止信号，顺序读操作完成。