IIC协议

一、IIC总线简介

        IIC总线是飞利浦半导体公司（现改名为恩智浦）研发的一种串行总线，IIC总线串行数据线是一个双向口，可以进行数据的双向传输，这种设计理念解决了数字控制电路中的难题，数字信号沿正方向传输到控制系统中。IIC总线具有良好的通用性和生产兼容性，无论是NMOS工艺、CMOS工艺还是TTL工艺，IIC总线都能支持。

       IIC总线支持多主机系统，所谓主机就是指能够控制总线信息传输的器件，也称主器件，一般地，主器件是微处理机或单片机，IIC总线允许有两个或两个以上的这样的器件挂接在系统上，IIC总线式一个多主机的总线，即总线上允许有超过一个能控制总线的器件存在。

       IIC通讯协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行AD，图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的X涉嫌管配置等等。除此之外，由于IIC协议占用引脚特别少，硬件实现简单，可扩展性强，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路（IC）间的通讯。

二、IIC总线的特点

IIC总线协议有如下特点：

（1）电路结构简单，只有两根数据线进行数据传输，即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）；数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步；

（2）挂接在IIC总线上的任何器件都被赋予一个唯一的地址，这个地址式用软件输入的；主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问；

（3）IIC总线协议有三个版本，对应三个版本有三种模式，分别式标准模式、快速模式和高速模式，对应着三种模式的IIC总线的数据线也存在三个传输速率，分别式100Kbit/s、400Kbit/s、3.4Mbit/s；但是目前大多数的IIC设备尚不支持高速模式；

（4）IIC总线接口芯片上通常会配有滤波器，用于总线的串行数据线上，可将数据线上的毛刺除去；

（5）控制总线的主器件，既可以发送数据到从器件，也可以由从器件接收数据，无论发送或接收数据都经由双向的串行数据线传送；

（6）IIC总线支持多主机系统，若有多个主器件同时对总线发起控制，IIC总线协议中的总线仲裁和冲突检测可以解决，数据不会丢失；

（7）IIC总线没有片选线，因此挂接在IIC总线上的器件数量不受片选线的控制，只由总线上的最大总容抗不大于400pF决定。

（8）总线通过上拉电阻接到电源，当IIC设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲时，都输出高阻态，由上拉电阻把总线拉成高电平；

缺点：数据的传输速率比SPI慢，数据帧的大小限制在8位。

三、IIC总线的硬件结构

 IIC通讯设备之间的常用连接方式，如图所示：

         IIC总线的硬件结构是两根用三态门实现的，能进行数据双向传输的线，分别是串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。外围设备或为处理器挂接到总线上，只需要自身的数据线和时钟线分别于IIC总线的串行数据线和串行时钟线相连即可，整个系统的结构是否简单明了。

         由于IIC总线的串行数据线和串行时钟线都是双向口，因此系统中的各个器件都采用集电极开路或漏极开路的结构，他们通过一个上拉电阻Rp连接到电源电压VCC上，如图所示。

        因为每个器件都是通过电阻间连接到一个高电压上，因此IIC总线不被使用时，各器件的串行数据线和串行时钟线都为高电平。一旦某一设备要使用总线，将自身的信号拉低，那么与其相连的总线上相应的信号线也会被拉低，可以说每个器件的数据线都是相“与”的关系，同时每个器件的时钟线也是相“与”的关系，这种关系统称为“线与”。

        串行数据线SDA是双向的，对外SDA只有一根线，但在IIC总线接口芯片内部被分为两根线，分别为SDA_in和SDA_out。SDA_in接在MOS管的漏极，用来接收总线上发送的数据，SDA_out接在MOS管的栅极，用来将要发送的数据推导总线上。当然串行时钟线SCL也是采用双向口实现的，SCL在器件内部也被分为SCL_in和SCL_out两根线。对主器件来说，他利用SCL_out向总线发出控制信号，决定总线的使用；而主器件来说，他利用SCL_in的电平加以监测，根据SCL_in的高地电平情况决定下一步的动作。对于从器件来说，从器件的SCL_in也是用于监测总线上时钟的变化情况，从而决定了自身合适发送或接收数据，而SCL_out可以用来拉低总线的时钟线，迫使总线进入等待状态。

IIC总线的这种集电极开路或漏极开路的结构有很多优势，具体来说有以下三点：

（1）总线不被使用时，串行数据线和串行时钟线都通过电阻与高电平相连，信号电平保持稳定，不损耗电流，因此这种结构能达到减小静态功耗的作用。

（2）电源电压的选择可以与IIC总线上挂接的器件的工作电压保持一致，因此IIC总线电气兼容性良好。

（3）各个设备的数据线可以不通过任何额外的电路而直接互联，同理各设备的时钟线也可以直接互联。

四、IIC总线协议介绍

        IIC总线协议规定，主器件通过改变串行时钟线和串行数据线发起一根开始信号，然后通过SDA线进行数据的传输，数据传输的过程要注意数据的有效性和地址器件的格式，每传输一字节的数据，数据的接收方就要给出一根应答信号，串行时钟线被拉低迫使总线进入等待状态，传输过程的终止需要主器件发出停止信号。除此之外，IIC总线协议还包括时钟同步和总线仲裁。

       4.1开始信号和停止信号

          在IIC总线上发起一次数据传输，首先要由主器件产生开始信号，才能表征一根数据传输进程的开始，数据传送完成后，同样要由主器件产生结束信号，才能表征一根数据传输进程的结束。

         所谓开始信号，就是当串行时钟线SCL为1时，串行数据线SDA的逻辑电平由1变为0，串行数据线在跳变的过程中，串行时钟线上的高电平必须保持不变，这样时钟线和数据线的组合就称之为开始信号，当主器件按对IIC总线发送开始信号时，标志总线进入忙状态。

        所谓结束信号，就是当串行时钟线SCL为高电平时，串行数据线SDA从低电平跳变为高电平，串行数据线跳变的过程中，串行时钟线上的高电平必须保持不变，这种的时钟线和数据线的组合称之为结束信号。下面给出了IIC总线的开始信号和停止信号的时序图。

      4.2数据的稳定性

        对于通信系统来说，数据传输能够正确而有效地进行是十分重要的，因此，IIC总线协议特别对数据稳定性加以规定。

        当串行时钟线SCL为高电平时，串行数据线SDA上不能有信号的跳变，必须保持稳定，当串行时钟线SCL为低电平时，才允许串行数据线SDA上的数据改变。下面给出了数据稳定的示意图。

      4.3应答机制

        在IIC总线的串行数据线上的传输的数据必须以8bit为一个字节，总线协议中并不对传输的字节数加以控制。串行数据线上传输8bit数据之后，必须由数据的接收方给出一个应答信号ACK，接收方不给应答信号的情况称之为非应答。应答信号也可称之为握手信号，是总线协议为保证数据传输过程中数据不丢失而采取的有效手段。当数据的接收方因特殊情况不难一次性完整的接收8bit数据时，他就可以通过SCL的输出电路SCL_out将总线的串行时钟线SCL的电平拉低，迫使总线进入等待状态，知道数据的接收方可以接收数据之后，将总线的串行时钟线的电平置高，这样通信就能正常继续进行。

      4.4   7位地址格式

       主设备向IIC总线发出开始信号产生后，主设备会向串行数据线SDA上发送一个字节的地址信息，这个地址信息就是此主设备将于之发生通信的从设备之间的地址。IIC总线由两种地址格式，这里采用7位地址格式。所谓的7位地址格式是指7位从器件的地址，最低位表示数据传输方向，“1”表示主器件向从器件写入数据，“0”表示主器件向从器件读取数据，具体表示如下图：

        通常情况下，要想终止一次数据传输进行，需要发起本次数据传输的主设备通过发出一个停止信号来完成。如果主设备仍有其他的数据需要传输，那么他就可以再一次发送一个开始信号，而不是发送停止信号，这样新一轮的数据传输就能开始，主设备同理需要重新发送从设备的地址，以此寻找新的通信方。数据的传输中有三种不同的格式：

（1）主设备作为数据发送方，从设备作为数据接收方，整个信息传输进程中，数据传输方向保持一致，即主设备写数据到从设备。首先由主设备产生一个开始信号，再发送7位从器件地址加一位读写方向，寻址成功后，相应的从器件会产生一个应答信号，此后主设备便可以发送8位数据到总线上，每接收到一字节的数据，从设备就要产生一个应答信号，直到主设备发出停止信号。传输格式如下：

 

（2）从设备发送数据，由主设备接收。先有主设备发送一字节的从设备地址信息，此时主设备时数据发送方，从设备时数据接收方。个从设备接收到地址后，于自身的地址比较，地址一致的从设备给出应答信号。寻址成功后从设备就成了数据的发送方，主设备就成为了数据的接收方。主设备通过总线读取从设备的数据信息，从设备没发送来一字节的数据，主设备接收后就要给一个应答信号，停止本次传输的停止信号需要主设备给出。数据传输格式如下图所示：

 

（3）第三种属于复合格式，数据传输的格式在传输过程中会改变，改变数据流向时，主设备必须再次开始信号和要寻址的从设备地址，才能开始一个新的数据传输进程。数据传输格式如图所示：