IIC协议

IIC介绍

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线。

现在被广泛地使用在系统内多个集成电路 (IC) 间的通讯。

通信距离

通信速度

目前大多 I 2 C 设备尚不支持高速模式。

主从方式

在一个 I 2 C 通讯总线中，可连接多个 I 2 C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

• 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

通信方式

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。

物理结构

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。

I2C总线上传输的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应，即同步控制。数据位的传输是边沿触发。

IIC协议

空闲状态

SDA和SCL两条线同时处于高电平为总线空闲状态。由两个上拉电阻拉高。

• 当 I 2 C 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。

开始信号、结束信号和应答信号

SDA数据线，SCL时钟线

• 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。是一种电平跳变时序信号，而非一个电平信号。

• 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。
  

• 应答信号ACK：发送器每发送一个字节，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，即由接收器反馈的应答信号。将SDA拉低，并保证在该时钟的高电平前进为稳定的低电平。

• 如果ACK为低电平为有效应答，如果是高电平就是非应答位NACK，也就是没有成功。

• 如果接收器是主控器，收到最后一个字节后，发送NACK信号，以通知发送器数据发送结束，并释放SDA。
  

传输时主机产生时钟，在第 9 个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制SDA

• 若 SDA 为高电平，表示非应答信号 (NACK)
• 低电平表示应答信号 (ACK)
  

向从机发送数据的过程

1. 主机发送start信号；总线处于占用状态。
2. 主机发送从机地址，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读；
3. 从机返回ACK响应信号；
4. 主机发送要给从机写入数据的地址；（有的设备不用）
5. 从机返回ACK响应信号；
6. 主机发送数据；
7. 从机返回ACK响应信号；
   重复第6和7步，直到从机返回一个NACK非响应信号；
   主机发送停止信号，结束数据传输。
   
   主机写数据到从机
   

• 阴影代表数据由主机传输至从机。
• S代表传输开始信号，连接到 I 2 C 总线上的所有从机都会接收到这个信号
  • 起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)
  • 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了
  • 没被选中的设备将会忽略之后的数据信号
• SLAVE ADDRESS 从几地址
• 空白表示数据由从机传输至主机
• R/W传输方向选择位，1 为读，0 为写
• A/A(——) ：应答 (ACK) 或非应答 (NACK) 信号
  • 只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据
  • 主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号 (ACK)，重复这个过程
  • 若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答 (NACK)”信号
• P ：停止传输信号

读取从机数据的过程

1. 主机发送start信号；
2. 主机发送从机地址，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读；
3. 从机返回ACK响应信号；
4. 主机发送要给从机读入数据的地址；（有的设备不用）
5. 从机返回ACK响应信号；
6. 重新启动IIC总线，发送start信号；（前面步骤的目的向从机传送地址，下面开始读取数据）
7. 主机发送从机地址，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读；
8. 从机返回ACK响应信号；
9. 主机接收数据；
10. 从机返回ACK响应信号；
    重复第9和01步，直到从机返回一个NACK非响应信号；
    主机发送停止信号，结束数据传输。
    
    主机从从机中读取数据
    

前边与写相同，不同之处

• 从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号 (ACK)，重复这个过程
• 当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号 (NACK)，则从机自动停止数据传输

I 2 C 通讯复合格式

I 2 C 通讯更常用的是复合格式，该传输过程有两次起始信号 (S)

• 在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址
• 在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。

例如本章节例子中的 EEPROM

• 在通讯总线中有一个 I2C 设备地址 SLAVE_ADDRESS 用于区分它和总线上的其它设备
• 在 EEPROM 内部又有自身的存储单元地址，如第 0 个单元、第 1 个单元等，用于区分内部的不同存储单元，这种地址我们通常称为 I2C 设备的子地址、寄存器地址或内部地址。

数据有效性

IIC总线数据传送时，时钟的高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，不允许变化。即SCL的上升沿到来前要准备好，下降沿到来前必须可靠。
SDA的数据在SCL高电平期间被写入从机。所以SDA的数据变化要发生在SCL低电平期间。

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

地址及数据方向

I 2 C 总线上的每个设备都有自己的独立地址

• I 2 C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛
• 读数据方向时，主机会释放对 SDA 信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号
• 写数据方向时，SDA 由主机控制，从机接收信号

协议一帧构成