IIC总线协议详解

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分类专栏：嵌入式软件文章标签：单片机嵌入式硬件

于 2024-07-12 15:49:12 首次发布

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1 IIC简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 NXP（原 PHILIPS）公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。
在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
PS：这里要注意 IIC 是为了与低速设备通信而发明的，所以 IIC 的传输速率比不上 SPI。

2 IIC物理层

2.1 IIC硬件

IIC有两条总线，一条双向的串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。

SDA(Serial data) ：串行数据线，用来传送数据；
SCL(Serial clock line)：时钟线，用来控制数据发送的时序。

所有接到IIC总线上的设备的SDA线都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL都接到总线的SCL上。IIC总线上的每一个设备都有一个唯一的地址，以确保不同设备之间的访问互不干扰。

2.2 IIC协议特点

    IIC主设备（master）：主要产生时钟，产生起始和结束信号；
    IIC从设备（slave）：可编程的IIC地址检测，停止位检测等;
    支持不同的通信速率（100KHz~400KHz）;
    SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰；
    IIC是半双工，而不是全双工，同一时间只可以单向通信。

物理层小结：
I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，SCL和SDA被上拉电阻Rp拉高，使SDA和SCL线都保持高电平。
I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，SPI和uart通信为全双工。

3 IIC协议层

开始信号(Start)： SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，标志着开始传输数据；
结束信号(Stop)： SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，标志着结束传输数据；

应答信号（ACK/NACK)： 所有地址和数据都以8bit为单位传输，如果接受端正确接收了8bit数据，则回复一个bit的“0”信号——ACK信号，如果未正确接收8bit数据，或者接收端不再接受数据，则回复一个bit的“1”信号——NACK信号。即每8bit数据，就会跟1bit ACK/NACK信号。

数据有效性： IIC信号在传输过程中，当SCL为高电平（SCL=1）时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变。只有当SCL处于低电平期间，SDA的高、低电平才可以交替变化。也就是说发送数据时，bit数据“0”和“1”的交替是发生在SCL的低电平期间。

SCL=1时数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。也就是在IIC传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输

4 数据传输

4.1 IIC写数据

数据发送格式：

1、多数从设备的地址为7位或者10位，一般都用七位。八位设备地址=7位从机地址+读/写地址

2、再给地址添加一个方向位位用来表示接下来数据传输的方向:

0表示主设备向从设备(write)写数据，

1表示主设备向从设备(read)读数据

3、IIC的每一帧数据由9bit组成，如果是发送数据，则包含 8bit数据+1bit ACK;如果是设备地址数据，则8bit包含7bit设备地址 1bit方向

在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位) 1~7位为7位接收器件地址，第8位为读写位，用“0”表示主机发送数据(W)，“1”表示主机接收数据（R）, 第9位为ACK应答位，紧接着的为第一个数据字节，然后是一位应答位，后面继续第2个数据字节。

写数据

字段解析：

Start：数据传输的开始信号，由主机产生；
Device address：标识从设备的地址，7位从机地址+读/写地址，
R/W： W(write)为主机向从机写数据，R(read)为主机向从机读数据，bit0；
ACK：主机读数据时，从机做接收，由从机产生ACK信号；
Word Address： Slave设备内部的数据地址，即主机要往从机的这个地址写数据，上图中Word Address只体现了一个字节，实际上可以有多个字节。如访问8K bytes的 eeprom，就需要2个字节的Word Address来寻址；
Data：发送的数据，以字节为单位，每8bit数据，从设备回一个ACK信号；
Stop：数据传输的结束信号，由主机产生。

主机向从机写（发送）数据流程：

1.主机首先产生START信号；
2.然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)，
0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)；
3.主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，
主机则认为自己正在被主机寻址，根据R/W位将自己确定为发送器和接收器;
(注：不要把发送器/接收器同主设备/从设备混淆，当主设备向从设备写数据的时候，主设备做发送器，
从设备做接收器；当主设备向从设备读数据的时候，主设备做接收器，从设备做发射器)
4.这时候主机等待从机的应答信号(ACK)；
5.当主机收到应答信号时，发送要访问从机的哪个地址，继续等待从机的应答信号；
6.当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号;
7.主机产生停止信号，结束传送过程。

4.2 IIC读数据

字段解析：

Start：数据传输的开始信号，由主机产生；
Device address：标识从设备的地址，bit7~bit1;
R/W： W(write)为主机向从机写数据，R(read)为主机向从机读数据，bit0；
ACK：正式接收数据后的ACK信号由主机产生。Data传输前的ACK信号由从机产生，因为Data传输前都是
主机在给从机“写”数据；
Word Address： Slave设备内部的数据地址，即主机要往从机的这个地址读数据，上图中Word Address只体现了一个字节，实际上可以有多个字节。如访问8K bytes的 eeprom，就需要2个字节的Word Address来寻址；
RS： restart信号，表现形式和start信号完全一样。只是在读的过程中，再次触发了一次start信号，所以我们称之为restart；
Data：接收的数据，以字节为单位，每8bit数据，主设备（接收器）回一个ACK信号；
NACK：当主机读完指定长度的数据时，会在最后一个byte接收完成后，产生一个NACK信号；
Stop：数据传输的结束信号，由主机产生。

主机向从机读（接收）数据流程：
主机向从机读数据实际上分了两个步骤，一是把需要希望从从机的哪个地址（Word Address）读数据，通过“写”（W）的方式告诉从机；然后再次发送读（R）信号，这时从机才开始给主机发送信号。

1.主机首先产生START信号；
2.然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的R/W位为0，表明是向从机写命令，
通知从机，主机要读的地址；
3.这时候主机等待从机的应答信号(ACK)；
4.当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号；
5.当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变
为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的R/W位为1，表明将
主机设置成接收模式开始读取数据；
6.这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收n个字节的数据，
当接收完成后，主机发送非应答信号（NACK），表示不再接收数据；
7.主机进而产生停止信号，结束传送过程。

5 信号分析

通过使用iic读写eeprom用逻辑分析仪抓信号并分析。
1. iic写数据
通过iic往eeprom的0x0100地址写两个字节的数据，数据为“0x66 0x55”.使用的是16K byte的eeprom，字节的寻址范围为：0~0x3fff，所以word address有两个字节。

下图为eeprom厂家的datasheet里面提供的 “Device address”说明，eeprom厂家规定读写数据区域的地址bit7~ bit4为1010，可配置bit为bit3~bit1，也就是说一个iic总线上最多可挂8个eeprom。
注：bit7~bit4的特殊约定，只是eeprom厂家做的功能限制，并不是iic协议的限制。

我们把图7中的数据包放大来看，如下图：

从上图中可以清楚的看到，SDA的数据信号在SCL的高电平脉冲期间保持稳定，在SCL的低电平脉冲期间进行bit数据“0”和“1”的切换。

2、iic读数据
通过iic从eeprom的0x0100地址读取两个字节。

从上图中，可以看到iic读过程一共发起了两个start信号，第一个start信号（图中第1个绿色圆点处），SDA上发送了Device address & Write字节以及word address, 第二个start信号（图中第2个绿色圆点处），发送了Device address & Read字节，然后就开始接收数据。

6.IIC示例讲解

以AT24C02为例子

24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。

A0,A1,A2：硬件地址引脚

WP：写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写

SCL和SDA：IIC总线

可以看出对于不同大小的24Cxx，具有不同的从器件地址。由于24C02为2k容量，也就是说只需要参考图中第一行的内容：

芯片的寻址：

AT24C设备地址为如下，前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。A2~A0为000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。

也就是说如果是

写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；

读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

片内地址寻址：

芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。

对应的修改 A2A1A0 三位数据即可

向AT24C02中写数据

操作时序：

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线

接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)

等待应答信号(ACK)

发送数据的存储地址。24C02一共有256个字节的存储空间，地址从0x00~0xFF，想把数据存储>在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。

发送要存储的数据第一字节、第二字节、…注意在写数据的过程中，E2PROM每个字节都会>回应一个“应答位0”，老告诉我们写E2PROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。

发送结束信号（STOP）停止总线

注意：

在写数据的过程中，每成功写入一个字节，E2PROM存储空间的地址就会自动加1，当加到0xFF后，再写一个字节，地址就会溢出又变成0x00。

写数据的时候需要注意，E2PROM是先写到缓冲区，然后再“搬运到”到掉电非易失区。所以这个过程需要一定的时间，AT24C02这个过程是不超过5ms！

所以，当我们在写多个字节时，写入一个字节之后，再写入下一个字节之前，必须延时5ms才可以

从AT24C02中读数据

读当前地址的数据

2、读随机地址的数据

MCU先发送一个开始信号(START)启动总线

接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)

注意：这里写操作是为了要把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉E2PROM要读取哪个地址的数据。

发送要读取内存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM读取要哪个地址的信息。

重新发送开始信号(START)

发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)

E2PROM会自动向主机发送数据，主机读取从器件发回的数据，在读一个字节后，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据

如果不想读了，告诉E2PROM不想要数据了，就发送一个“非应答位NAK(1)”。发送结束信号（STOP）停止总线

3、连续读数据

E2PROM支持连续写操作，操作和单个字节类似，先发送设备写操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后发送内存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据。E2PROM的地址指针会自动递增，数据会依次保存在内存中。不应答发送结束信号后终止传输。