I2C协议

墨蓝 2022-04-18 05:10 230阅读 0赞

### 一、概述 ###

*  IIC总线是由PHILIPS公司开发的**两线式串行总线**，用于连接微处理器和外部IIC设备。起初专用于音频和视频，现在在各个电子设备中都有使用。

##### 1、IIC总线的特点 #####

*  a、有两条总线线路，**串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）**，SDA负责传输数据，SCL负责数据传输的时钟同步。典型的设备连接方式如下：  
    ![image][]
 *  b、每一个连接到总线的设备都可以通过唯一的**设备地址**单独访问
 *  c、串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可以达到100kb/s，快速模式下可以达到400kb/s，高速模式下可以达到3.4Mb/s
 *  d、总线长度最长7.6米左右
 *  e、片上滤波器可以增加抗干扰能力，保证数据的完整传输
 *  f、连接到一条IIC总线上的设备数量只受到最大电容400pF的限制
 *  g、是一个**多主机系统**，在一条总线上可以同时有多个主机存在，通过冲突检测方式和延时等待防止数据被破坏，**同一时间只能有一个主机占用总线**

##### 2、IIC总线的信号类型 #####

*  IIC在传输数据的过程中有3种类型的信号：**开始信号，结束信号，应答信号**，由SDA和SCL线的电平高低变化来表示。
 *  开始信号（S）：当SCL为高电平，SDA由高电平向低电平跳变，表示要开始传输数据
 *  结束信号（P）：当SCL为高电平，SDA由低电平向高电平跳变，表示要结束传输数据  
    ![image][image 1]
 *  响应信号（ACK）：从主机接收到8位数据后，第9个时钟周期如果SDA拉低，表示已经接收到数据，否为没有接收到数据  
    ![image][image 2]

### 二、IIC总线的数据传输 ###

##### 1、一些基本概念 #####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名称</th> 
   <th>解释</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>主机</td> 
   <td>初始化发送，产生时钟信号和终止发送的器件（IIC控制器）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>从机</td> 
   <td>被主机寻址的器件</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>发送器</td> 
   <td>发送数据到总线的器件</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>接收器</td> 
   <td>从总线接收数据的器件</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>多主机</td> 
   <td>同时有多于一个主机尝试控制总线 但不破坏报文</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>仲裁</td> 
   <td>是一个在有多个主机同时尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏的过程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>同步</td> 
   <td>两个或多个器件同步时钟信号的过程</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 2、主机向从机发送数据 #####

*  （1）当总线空闲的时候，SDA和SCL都处于高电平
 *  （2）当主机检测到总线空闲时，主机发出开始信号S
 *  （3）之后主机发出8位数据，这8位数据的前7位表示从机地址，第8位表示数据的传输方向，这个时候第8位为0，表示从主机发送数据
 *  （4）被选中的从机发出响应信号ACK
 *  （5）主机收到应答信号后从机传输一些列的字节和响应信号
 *  （6）主机接收这些数据，并发出接收信号P，完成本次数据传输  
    ![image][image 3]

##### 3、注意 #####

*  a、主机通过发送地址码与对应的从机建立了通信关系，而挂接在总线上的其它从机虽然同时也收到了地址码，但因为与其自身的地址不相符合，因此提前退出与主机的通信；
 *  b、主机的一次发送通信，其发送的数据数量不受限制。主机是通过P信号通知发送的结束，从机收到P信号后退出本次通信；
 *  c、主机的每一次发送后都是通过从机的ACK信号了解从机的接收状况，如果应答错误则重发。
 *  d、**SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向**，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。
 *  e、开始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master来发出。
 *  f、地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送“Stop”。
 *  当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。
 *  g、当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。
 *  h、**当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放**（SCL=0将发生“线与”）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

##### 4、下面为IIC信号格式总结 #####

![image][image 4]  
![image][image 5]

[image]: /images/20220418/fd64dc273d7441a08f4ac94db25e2ba6.png
[image 1]: /images/20220418/bceb2d2befbc4a00a572b53cb7827118.png
[image 2]: /images/20220418/fde079961fb54928a250a1fe83c27e8b.png
[image 3]: /images/20220418/c33bd761067d4e55b8614ff7773ca533.png
[image 4]: /images/20220418/0c7f697494a846a9a8e2fbc628d577c5.png
[image 5]: /images/20220418/371e276c34aa418ab7f157a47e56db04.png