嵌入式笔试面试刷题(day5 IIC详解)

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前言

本篇文章继续讲解嵌入式笔试面试刷题，这篇文章主要讲解IIC协议。

一、IIC需要几根线分别是什么线

I2C（Inter-Integrated Circuit）通信协议需要两根线来进行传输，分别是SDA（Serial Data Line）和SCL（Serial Clock Line）。这两根线是通过总线结构连接各个设备，并在设备之间进行数据和时钟信号的交互。

以下是对这两根线的详细说明：

SDA（串行数据线）：SDA线被用于在设备之间传输数据。它是一个双向线路，在通信中用于发送和接收数据位。每个设备都通过开漏输出或三态缓冲器连接到SDA线，以实现数据的传输和接收。

SCL（串行时钟线）：SCL线是用于设备之间同步传输数据的时钟信号线。它由主设备控制，通过在SCL线上产生脉冲信号来同步数据传输。所有设备都在SCL上接受和解析来自主设备的时钟信号。

总结起来，I2C通信协议只需要两根线：SDA用于数据传输，SCL用于时钟同步。这种简洁的连接方式使得I2C在多个设备之间进行通信变得非常方便和可靠。

二、IIC优势

1.简单且灵活：I2C仅需要两根线（SDA和SCL）来进行通信，使得硬件连接和布线变得简单。通过设备地址的选择，可以连接多个设备到同一个总线上，提供了更大的系统灵活性。

2.可靠性高：I2C协议采用了主从架构，由主设备控制总线上的数据传输。主设备协调和同步设备之间的通信，避免了设备之间的冲突。此外，I2C协议支持差分传输和硬件确认，提供了数据的可靠性和稳定性。

3.多设备支持：通过I2C协议，可以连接多个设备到同一个总线上。每个设备都有唯一的地址，主设备可以通过指定地址来选择与之通信的设备。这种架构适用于实现多个设备之间的数据交换和控制。

4.低功耗：I2C在基本模式下使用了开漏输出结构，使得设备在非活动状态下可以撤离总线，从而降低功耗。此外，I2C还支持多速率传输，可以根据需求选择适当的速率，进一步降低功耗。

5.应用广泛：I2C协议被广泛应用于各种领域，如消费电子产品、工业自动化、医疗设备等。它可以用于连接传感器、存储器、显示器、控制器和其他智能设备，为系统提供高效的数据交换和控制能力。

三、IIC可以挂载多少个从设备，主设备

1.从设备数量

IIC总线最多可以挂多少个设备由IIC地址决定，8位地址，减去1位广播地址，是7位地址，2^7=128，但是地址0x00不用，那就是127个地址，所以理论上可以挂127个从器件。

这只是一个理论可以挂载从设备的数量，挂载从设备数量还受到电容的影响。

I2C总线上的每个设备都有一定的输入和输出电容。当总线上连接的设备数量增加时，总线电容的总和也会增加。这样，总线的负载能力和传输速度可能会受到影响。

2.主设备数量

IIC支持多个主设备，但在同一时刻只能有一个主设备处于活动状态。(主设备没有固定的地址)

当一个主设备发起通信时，它会控制整个总线，并与所选的从设备进行数据交换。其他主设备和从设备会保持静默状态，直到当前的主设备释放总线。

一旦当前的主设备完成与从设备的通信，它将释放总线，然后其他主设备可以竞争获取总线控制权，并选择与所选的从设备进行通信。

这种机制确保在同一时刻只有一个主设备在总线上工作，避免冲突和数据干扰。但是，任何主设备都有权利在需要的时候释放总线，并允许其他主设备接管。这种切换主设备的操作可以在需要时进行，以实现多主设备的共享和通信。

四、IIC是全双工还是半双工

I2C总线是一种半双工的，主机可以向从机发送数据，然后等待从机的响应，并且这期间从机不能主动发送数据。只有当主机发送完数据并停止传输时，从机才可以主动发送数据。

五、SDA和SCL为什么配置为上拉开漏输出模式

1.为什么要配置为开漏输出不能是推挽输出

a.实现线与功能

当一个设备拉低SDA后整个SDA总线都是保持低电平的，其他主设备检测到IIC总线上的SDA为低电平后就知道IIC总线被占用了，这样就无法再占用IIC总线了。

b.保护设备不会被短路

在推挽输出模式下，如果两个设备同时试图将数据线拉低和拉高，会导致电平短路以及更高的功耗。而在开漏输出模式下，多个设备同时拉低数据线会形成电平的逻辑“与”操作，保证了数据线电平的正确转换和总线的可靠性。

2.上拉电阻的作用

a.确保空闲状态保持高电平

1.在I2C总线中，需要使用上拉电阻（Pull-Up Resistor）是为了确保总线上的数据线（SDA）和时钟线（SCL）在空闲状态时保持高电平。

2.当总线上没有任何设备发送数据时，数据线和时钟线都应该保持高电平。这是总线的空闲状态，也是通信设备之间识别总线空闲的重要依据。

3.上拉电阻连接在数据线和时钟线上，将其拉高到正常工作电平（通常为Vcc）。这样，在未被主动拉低时，数据线和时钟线都保持高电平，形成总线上的高电平信号。

b.开漏输出无法主动输出高电平

1.在I2C总线中，开漏输出主机设备只能主动拉低数据线（SDA），而对于将数据线拉高的操作，主机设备是无法直接实现的。

2.这是因为开漏输出是基于开漏（Open-Drain）输出结构，它可以通过开漏模式将输出引脚置为低电平（连接至地）或是高阻态（断开连接），但无法将输出引脚直接置为高电平。开漏输出仅能通过外部上拉电阻来将数据线拉高。

六、IIC总线空闲状态

在I2C总线中，空闲状态是指时钟线 (SCL) 和数据线 (SDA) 都处于高电平状态时的状态。在空闲状态下，两条线路都被拉高，并且没有任何通信活动正在进行。

七、IIC主机如何获取总线控制权

1.发送Start Bit：主机设备发送Start Bit信号，这是一个特殊的位模式，用于指示主机希望控制总线并启动数据传输。发送Start Bit时，主机将SCL保持高电平，而SDA由高电平转为低电平。

2.监听总线：主机设备释放SDA线，将其设置为输入模式，然后开始监听总线，等待仲裁的结果。

3.仲裁：如果其他主机设备也尝试发送Start Bit，冲突就会发生，所有参与冲突的主机都会检测到数据位不匹配，并放弃继续发送。仲裁通过硬件自动处理，决定哪个主机能够获得总线控制权。

4.获取总线控制权：仲裁之后，只有一个主机设备会成功获得总线控制权，并继续发送数据。它会根据I2C协议规定的操作步骤发送地址、数据等信息，并等待响应。

5.释放总线：主机设备在完成数据传输后，会发送Stop Bit信号，用于表示传输结束并释放总线控制权。发送Stop Bit时，主机将SCL保持高电平，而SDA由低电平转为高电平。

八、IIC总线仲裁

当存在多个主机设备连接到I2C总线时，在某些情况下可能会发生总线仲裁（Bus Arbitration）。

在I2C总线中，多主机的情况下，每个主机都有能力发送起始位（Start Bit）和控制总线的访问。但是，只有一个主机可以完整地控制总线并发送数据，其他主机必须在等待状态。

当多个主机同时尝试在总线上发送起始位和地址时，会发生仲裁。仲裁的原理如下：

1.当一组主机（包括当前总线上的任何从机设备）同时检测到总线空闲，并尝试发送起始位和地址时，它们会同时开始传输。

2.每个主机都会持续地监测总线上的数据位。如果发送的数据位与总线上的数据不一致（有冲突），则主机会立即停止发送，并将数据线拉低来生成一个应答（ACK）信号。这是一种仲裁信号，表示当前主机放弃总线控制权。

3.接着，剩下的主机会继续发送数据，直到只有一个主机剩下为止。这个主机会完整地控制总线并完成数据传输。

4.通过仲裁机制，I2C总线上的多个主机设备可以在发生冲突时进行协调，并确保只有一个主机继续发送数据，从而避免了数据的冲突和错误。

需要注意的是，I2C总线上的仲裁是由硬件自动处理的，主机设备不需要开发者手动干预。硬件会检测冲突并按照I2C协议的规定进行仲裁操作。

总结

本篇文章主要总结IIC的一些知识点，那么下篇文章会继续为大家讲解。