STM32常用协议之IIC协议详解

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前言

STM32常用协议系列文章

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一、IIC协议简介

1.1 简介

IIC（Inter - Intergrated Circuit）总线是由Philips公司开发，工作方式是半双工、同步、串行传输。虽结构简单【两条双向信号线SDA和SCL】，但其传输距离较短，传输速率较低一般为几百kbps左右。主要用于低速场合、小数据量场合。因计算机科学中，大部分复杂问题可以通过分层的思想进行简化。这里也以分层的方式来理解，对待协议最基本的分层方式是将其分为物理层和协议层。其中，物理层规定通信中具有机械、电子功能特性，确保原始数据在物理媒体中的传输。协议层主要规定通信逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。套用火哥的话来说就是：“物理层规定是用嘴巴还是肢体来交流，而协议层是规定我们是用英文还是中文来交流。”

1.2 IIC物理层

上图是通信设备常见连接方式，具有如下特点：

1. 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通信总线中，可连接多个IIC通信设备，支持多个通信主机和多个通信从机。
2. 一个IIC总线有且只有两条总线【SCL总线和SDA总线】，SCL总线：串行时钟总线，用于同步数据收发；SDA总线：双向串行数据线，用于表示数据。
3. 连接到总线上的设备都有一个独立的地址，因此，主机通过寻址的方式对不同设备进行访问；
4. 总线通过上拉电阻连接到电源。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，上拉电阻把总线拉成高电平。而当连接到总线上的任一器件输出低电平时，都将使总线的信号变低，可知各器件SDA及SCL都是线“与”关系。
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. 具有3种传输模式：标准【100kbps】、快速【400kbps】和高速【3.4Mbps】（目前大多设备并不支持该高速模式）。
7. 连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制。

备注：第5点和第7点，个人目前不是很理解其机理。

1.3 协议层

1.3.1 IIC基本读写过程

主机写数据到从机中

• step 01：由主机的IIC接口产生并传输起始信号(S)到总线上，此时连接到总线上的所有从机都会接到这个信号。【备注：同一时刻只能有一个主机】
• step02：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【该地址可以是7位也可以是10位】，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，而没被选中的设备将会忽略之后的数据信号；在选择完从机地址位后，需要选择传输方向，这里是写数据，所以该位置‘0’。
• step03：从机在接收到匹配地址后，会返回一个ACK信号或NACK信号给主机。
• step04：主机在接受到ACK信号之后，便可以发送数据了【每次只能发送一个字节】。
• step05：等待从机接收后，发送应答ACK信号给主机。
• …N个数据【N没有限制】…
• stepn：从机返回NACK信号时，主机向从机发送停止信号； 或主机发送数据后，不用管从机，直接向从机发送停止信号。

主机读数据到从机中
与主机写数据到从机中的步骤大致相同，差异如下：

• 第一点：传输方向，读数据【传输位应该置’1’】
• 第二点：当主机希望停止接收数据时，需要向主机返回一个非应答NACK信号，则主机会发送停止信号给从机。但从机在未得到主机的NACK信号时，却无法发送停止信号【不具有发送停止信号的权利】。

主机读和写数据【IIC复合格式】
与前两者的差异较大，差异如下：

• 该传输过程有两次起始信号（S）。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”【这段数据通常是从设备内部的寄存器或寄存器地址】；在第二次传输中，才会对该地址的内容进行读或写。也就是说：第1次通信是告诉从机读写地址，第2次则是读写的实际内容【后续会有实验进行说明】。

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1.3.2 通信的起始和停止信号

• 起始和停止信号一般由主机发送
• 起始信号：SCL为高电平信号时，SDA由高电平切换为低电平，表示通信的开始；
• 停止信号：SCL为高电平信号时，SDA由低电平切换为高电平，表示通信的结束；
  

1.3.3 数据有效性

IIC使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据，如上图所示。传输时，SCL为高电平的时候，SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平则表示数据为“1”，反之则为“0” 。而当SCL为低电平的时候，SDA表示的数据无效，一般这个时候SDA进行数据切换，为下一个要表示的数据做好准备。至于为什么要在这个时候切换，联想之前的开始和停止信号。

1.3.4 地址及数据方向

• IIC总线上的每个设备都有自己的独立地址；
• SLAVE ADDRESS可以是7位或10位，通常情况下7位使用更为频繁；
• 数据传输方向位：1表示读 / 0表示写
• 读数据方向时，主机释放SDA总线由从机控制SDA总线，主机接受信号； 写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号

1.3.5 响应

IIC的数据和地址传输都带有响应【ACK和NACK两种信号】，作为数据接收端时，当设备（无论住从机）接收到IIC传输的一个字节数据或地址后：

• 若希望对方继续发送，则需要向对方发送“应答ACK”信号，发送方会继续发送下一个数据；
• 若希望结束数据传输，则需要向对方发送“非应答NACK”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

二、IIC特性

NOTE: 本节主要引自于大佬 果果小师弟 的文章

2.1 软件模拟协议

2.1.1 引言

若我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL和SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED那样控制引脚的输出（若是接收数据时，则读取SDA电平），就可以实现IIC通信。对于USART同样，也能实现USART通信。所以只要遵守协议，就是标准的通信，不管如何实现它，不管是ST生产的控制器函数ATMEL生产的存储器，都能按通信标准交互。这种直接控制GPIO引脚电平产生通信时序时，由CPU控制每个时刻的引脚状态，称之为“软件模拟协议”方式。

2.1.2 IIC初始化函数

功能：配置IIC的时钟线和数据线

void IIC_Init(void)
{