IIC总线时序图

我们来一场轻松有趣的 I²C 总线“时空之旅”！想象一下，有两根神奇的电话线（SDA 和 SCL），连接着好几个“小设备”（芯片）。它们之间需要悄悄话传递信息，但又不能互相干扰。I²C 协议就是它们约定的“悄悄话规则”，而时序图就是记录它们对话过程的“监控录像”。

核心角色：

1. SDA (Serial Data Line - 串行数据线): 这是传递实际信息的“悄悄话通道”。数据（0 或 1）就在这根线上跑。

2. SCL (Serial Clock Line - 串行时钟线): 这是“指挥棒”或“节拍器”。它由主设备（通常是单片机/CPU）控制，用来指挥所有设备（包括主设备和从设备）什么时候该听（采样数据），什么时候能说（改变数据）。想象它像交通灯，告诉数据什么时候可以安全过马路。

3. 主设备 (Master): 对话的发起者和节奏控制者。它掌握着 SCL 的开关。

4. 从设备 (Slave): 对话的参与者，只能响应主设备的呼叫。每个从设备有一个独一无二的“门牌号”（设备地址）。

核心规则（时序图的灵魂）：

• 最重要的铁律：当 SCL 是高电平 (1) 时，SDA 上的数据必须保持稳定不变！ 这是大家读取数据的时候，谁乱动谁就制造混乱。想象指挥棒（SCL）举到最高点时，大家必须保持安静看清当前数据状态。

• 当 SCL 是低电平 (0) 时，SDA 才允许发生变化。 指挥棒放下时，才是大家准备下一个动作（改变数据）的安全时间。就像交通灯变红，车辆才能开始启动或停止。

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现在，让我们“播放”这段监控录像（时序图），一幕一幕拆解：

场景 1: 开启悄悄话通道 - “开始”信号 (Start Condition / S)

• 画面： SCL 本来是高的 (1)，SDA 也本来是高的 (1)（这是空闲状态，大家都没说话）。

• 动作： 主设备（老大）想说话了！它 先把 SDA 线从高 (1) 拉低 (0)！等 SDA 稳定在低电平后，再把 SCL 从高 (1) 拉低 (0)！

• 意义： 这个特殊的动作 (SDA 在 SCL 高时 从高变低) 就像老大用力地拍了一下桌子，大声说：“喂！注意了！我要开始讲话了！都安静听着！” 这个信号告诉总线上所有从设备：“有事情要发生了，准备好听指令！”

• 关键点： SDA 的下跳变必须发生在 SCL 保持高电平期间！这是识别“开始”信号的唯一特征。

场景 2: 点名找谁 - 发送从设备地址 (Slave Address)

• 画面： SCL 开始有规律地“跳动”（高->低->高->低...），SDA 在 SCL 低电平时变化，在 SCL 高电平时保持稳定。

• 动作：

  1. 主设备 要指定和哪个“小弟”（从设备）说话。它把这个小弟的“门牌号”（7位或10位地址，常用7位）一位一位地放到 SDA 线上。

  2. 每个位（bit）的传输周期：

     • SCL 低电平 (0) 时： 主设备可以安全地设置 SDA 为下一个要发送的位 (0 或 1)。

     • SCL 高电平 (1) 时： SDA 必须保持稳定！此时，所有设备（包括目标从设备） 都在这个时刻读取 SDA 上的值 (0 或 1)。

  3. 地址的 第 8 位 是一个特殊位，叫 读写位 (R/W#)：

     • 0 = 老大要对小弟写数据（老大说，小弟听）。

     • 1 = 老大想让小弟读数据给老大（老大听，小弟说）。

• 意义： 老大挨个念出7位地址 + 1位读写方向。总线上所有小弟都在听，核对这个地址是不是自己的。只有地址匹配的那个小弟知道老大是在叫它，并且知道接下来是要听老大说 (R/W#=0) 还是它自己说 (R/W#=1) 给老大听。就像老师点名：“张三同学！请你回答个问题！” (R/W#=1) 或者 “张三同学！你听好了！” (R/W#=0)。

场景 3: 小弟回应 - 应答信号 (Acknowledge / ACK)

• 画面： 发送完地址（7位）+读写位（1位）后，主设备释放 SDA 线（让它变高 1），然后拉高 SCL。

• 动作：

  1. 主设备 在发送完第8位（R/W#）后的那个 SCL 低电平期间，释放 SDA 线（不再主动拉低或拉高它，相当于让它“悬空”，通常会被上拉电阻拉到高 1）。

  2. 主设备 拉高 SCL (1)。

  3. 被点名的从设备 必须在 SCL 高电平期间，主动把 SDA 线拉低 (0)！

• 意义： 被点到名的小弟必须在这个时刻拉低 SDA，大声喊一声：“到！老大，我在这儿呢！地址收到了，明白你要我干啥（读/写）了！” 这就是 ACK (应答) 信号。如果没有任何小弟拉低 SDA（SDA 保持高 1），那就是 NACK (非应答)，表示“老大，你叫的人不在/没听懂/忙死了！”。老大看到 NACK 就知道出问题了（地址错/设备不存在/设备忙）。

场景 4: 传递悄悄话内容 - 传输数据字节 (Data Byte)

• 画面： 和发送地址位的过程一模一样！

• 动作：

  1. 无论是主设备给从设备写数据 (R/W#=0)，还是从设备给主设备读数据 (R/W#=1)，一个字节（8位） 的数据都是这样一位一位传输的。

  2. 规则不变：

     • SCL 低电平时：发送方 (写数据时是主设备，读数据时是从设备) 设置 SDA。

     • SCL 高电平时：接收方 (写数据时是从设备，读数据时是主设备) 读取 SDA。此时 SDA 必须稳定！

• 关键点： 数据方向由之前的 R/W# 位决定。写数据时，主设备是“说”的人（控制 SDA 发数据），从设备是“听”的人（读取 SDA 数据）。读数据时，正好相反，从设备“说”（控制 SDA 发数据），主设备“听”（读取 SDA 数据）。但 SCL 永远 由主设备控制！

场景 5: 每句话后确认 - 数据字节后的应答 (ACK/NACK after Data Byte)

• 画面： 每传输完一个字节（8位数据），紧跟着就是一个 ACK 或 NACK 位！

• 动作：

  • 写数据 (R/W#=0)：

    1. 主设备发完8位数据。

    2. 主设备释放 SDA（拉高）。

    3. 主设备拉高 SCL。

    4. 从设备 必须在 SCL 高时拉低 SDA (ACK) 表示：“老大，这个字节我收到了，状态良好，请发下一个字节吧！” 或者保持 SDA 高 (NACK) 表示：“老大，我收满了/出错了，别再发了！”

  • 读数据 (R/W#=1)：

    1. 从设备发完8位数据。

    2. 从设备释放 SDA（但主设备可能马上要控制）。

    3. 主设备拉高 SCL。

    4. 主设备 必须在 SCL 高时做出反应：

       • 如果想继续读下一个字节：主设备 拉低 SDA (ACK) 表示：“小弟，这个字节我收到了，干得不错，再给我读一个！”

       • 如果这是最后一个字节不想读了：主设备 保持/拉高 SDA (NACK) 表示：“小弟，这个字节我收到了，好了，不用再读了！”

• 意义： 这是数据传输过程中的“握手”确认机制。每成功传递一个字节，接收方都要给发送方一个明确的“收到” (ACK) 或“停止发送/出错” (NACK) 的反馈。保证数据可靠传递。

场景 6: 悄悄话结束 - “停止”信号 (Stop Condition / P)

• 画面： SCL 本来是低的 (0)，SDA 也是低的 (0)（假设在传输数据）。

• 动作： 老大说完了！它 先把 SCL 从低 (0) 拉高 (1)！等 SCL 稳定在高电平后，再把 SDA 从低 (0) 拉高 (1)！

• 意义： 这个特殊的动作 (SDA 在 SCL 高时 从低变高) 就像老大站起来说：“好了，今天的会就开到这儿，散会！” 它告诉所有设备：“本次对话结束，总线恢复空闲状态 (SDA=1, SCL=1)，大家可以休息或者等待下一次开始了。”

• 关键点： SDA 的上跳变必须发生在 SCL 保持高电平期间！这是识别“停止”信号的唯一特征。

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总结要点：

1. SCL 是老大： 它是指挥棒，控制着整个对话的节奏。它高时 (1)，是“定格拍照”时间，SDA 必须纹丝不动让大家看清数据。它低时 (0)，是“准备动作”时间，SDA 才能安全切换状态。

2. SDA 是消息通道： 上面跑的是地址、数据、ACK/NACK 这些实际内容。但它的变化必须严格遵守 SCL 的指挥。

3. 开始信号 (S): SCL 高时，SDA 从高变低。老大拍桌子：“开会了！”

4. 停止信号 (P): SCL 高时，SDA 从低变高。老大宣布：“散会！”

5. 地址/数据传输： 都是 8 位（bit）。每位传输：SCL 低时设置 SDA -> SCL 高时稳定 SDA (读取)。像在指挥棒指挥下，一步一步传递小纸条。

6. ACK/NACK: 接收方在 SCL 高时拉低 SDA (ACK) 表示“收到/继续”，不拉低 (NACK) 表示“没收到/停止/出错”。每次传完地址或数据都要有这个“点头/摇头”确认。

7. 主从角色： SCL 永远 是主设备控制。谁控制 SDA 发数据，由 R/W# 位决定：写数据时主控 SDA，读数据时从控 SDA。ACK/NACK 的发送方是数据接收方。

常见问题：

• 为什么需要上拉电阻？ SDA 和 SCL 线在空闲或被释放时，需要上拉电阻把它们拉到高电平 (1)。没有这个“弹簧”，线就悬空了，状态不确定。就像电话线没挂好会有杂音一样。

• 多个主设备怎么办？ 标准 I²C 支持多主，但需要更复杂的“仲裁”机制（检测谁先拉低 SDA），初学者可以先专注于单主模式。

• 怎么知道设备地址？ 看器件的数据手册 (Datasheet)！里面会明确写明它的 7 位 (或 10 位) I²C 地址。

形象比喻：

• 想象 SCL 和 SDA 是两条并行的轨道。

• SCL 轨道上跑着一辆匀速的“时钟火车”，每节车厢代表一个时钟周期。

• SDA 轨道上跑着“数据小车”。但规则是：只有在时钟火车车厢完全处于隧道（低电平）里时，数据小车才能换轨道（改变状态）！当火车车厢开到山顶（高电平）时，数据小车必须停在当前轨道上不动，让所有人看清楚它代表的是 0 还是 1！

• 开始信号 (S) 和停止信号 (P) 就是特殊的“发车”和“到站”旗语。

• ACK 就是下一站站长在火车到山顶时，挥动小绿旗 (0) 表示“一切正常，发下一车”，或者挥动小红旗 (1) 表示“有问题，停车检查”。

以下为从正点原子文档中截的一张IIC总线时序图及小结：

① 起始信号

当 SCL 为高电平期间，SDA 由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。

② 停止信号

当 SCL 为高电平期间，SDA 由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不 是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。

③ 应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。

应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK 简称应答位），表示接收器已经成功地接收了 该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间

将 SDA 线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它

收到最后一个字节后，发送一个 NACK 信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放 SDA 线，以便主机接收器发送一个停止信号。

④ 数据有效性

IIC 总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在 时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在 SCL 的上 升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。

⑤ 数据传输

在 I2C 总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在 SCL 串行 时钟的配合下，在 SDA 上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

⑥ 空闲状态

IIC 总线的 SDA 和 SCL 两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个 器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。