IIC协议

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分类专栏：嵌入式开发文章标签：单片机

于 2024-01-15 21:45:48 首次发布

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本文详细介绍了I2C总线，包括其通信方式、物理结构、多设备支持、优点与缺点，以及I2C协议的空闲状态、开始和结束信号、数据传输过程、复合格式、数据有效性、地址和数据方向等内容。

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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

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通信速度

在这里插入图片描述

目前大多 I 2 C 设备尚不支持高速模式。

主从方式

在这里插入图片描述
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。

理论上可连接的设备数量受到地址空间和总线电容的限制。IIC 设备地址是 7 位或 10 位，7 位地址可以产生 128 个不同的地址，10 位地址则可以产生 1024 个不同的地址。
- 这意味着从地址空间角度考虑，理论上 7 位地址设备最多可连接 128 个，10 位地址设备最多可连接 1024 个。
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。
- IIC 总线的 SDA（串行数据线）和 SCL（串行时钟线）线路存在寄生电容。每个连接到总线上的设备都会增加总线的电容。
- 随着设备数量的增加，总线电容会不断累积当总线电容过大时，会导致信号上升沿和下降沿变缓，影响通信的速度和可靠性。一般来说，IIC 总线的最大电容负载约为 400pF。每个设备的引脚电容可能在几个 pF 到几十个 pF 之间。
- 在实际应用中，通常连接几个到十几个设备是比较常见的，具体数量需要根据设备的电容特性以及通信速度、可靠性要求等来综合确定。

通信方式

在这里插入图片描述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。

上拉电阻

在这里插入图片描述

上拉电阻：IIC 总线是一种开漏极输出的总线，SDA（串行数据线）和 SCL（串行时钟线）引脚需要接上拉电阻。上拉电阻的阻值一般在 1.5kΩ - 10kΩ 之间。合适的上拉电阻可以保证信号在空闲状态时为高电平，并且在多个设备同时竞争总线控制权时，能够提供足够的驱动能力。

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述

优缺点

优点：

多设备支持：I2C支持多个设备连接到同一总线上，每个设备都有唯一的地址。
简单：I2C协议相对简单，易于实现和调试。
低功耗：在空闲状态时，I2C总线上的器件可以进入低功耗模式，节省能量

缺点：

速度较慢：I2C通信速度较低，适用于低速设备。
受限制：I2C的总线长度和设备数量受到限制，过长的总线可能导致通信问题。
冲突：当多个设备尝试同时发送数据时，可能会发生冲突，需要额外的冲突检测和处理机制。

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)

数据传输格式

SDA线上的每个字节的长度必须是8位。
数据传输顺序：在数据传输过程中，数据位是按照高位在前（MSB）、低位在后（LSB）的顺序发送的。

仲裁机制

当多个设备同时尝试控制总线进行通信时，IIC 协议具有仲裁机制。在仲裁过程中，会比较各个设备发送的 SDA 信号电平。
如果一个设备发送的是高电平，而另一个设备发送的是低电平，那么发送高电平的设备会自动失去总线控制权。

向从机发送数据的过程

主机发送start信号；总线处于占用状态。
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；
从机返回ACK响应信号；
主机发送要给从机写入数据的地址；（有的设备不用）
从机返回ACK响应信号；
主机发送数据；
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

主机发送start信号；
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；
从机返回ACK响应信号；
主机发送要给从机读入数据的地址；（有的设备不用）
从机返回ACK响应信号；
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）
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；
从机返回ACK响应信号；
主机接收数据；
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

在这里插入图片描述 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。
在这里插入图片描述
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。