通信协议整理之 IIC 通信

文章目录

通信协议整理之 IIC 通信
- 简介
- 工作原理
- 数据传输信号
- - 数据有效条件
  - 起始条件和终止条件
  - 地址
  - 读/写
  - 应答
  - 数据
- 传输步骤
- IIC 通信优缺点
- 补充
- - 硬件 IIC 和软件模拟 IIC

简介

IIC 是一种串行同步通信总线（半双工），一般有两根信号线，一根是双向的串行数据线 SDA ，另一根是时钟线 SCL 。 IIC 总线可挂载多个主设备，多个从设备，且每个接到 IIC 总线上的器件都有唯一的地址。 IIC 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号,这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。 IIC 协议广泛应用在 OLED 显示器、气压传感器或陀螺仪/加速度计等模块的项目中。
SDA （串行数据）：主机和从机发送和接收数据的线路。
SCL （串行时钟）：传输时钟信号的线路。
根据串行通信及同步通信的特点可知， IIC 总线的数据沿着 SDA 逐位传输，且位的输出通过主机和从机之间共享的时钟信号与位采样同步，时钟信号始终由主站控制。
串行通信和同步通信详情请见：通信协议整理

工作原理

使用 IIC 通信时，数据在消息中传输。消息又被分解为数据帧。每条消息都有一个地址帧，其中包含从机的二进制地址，以及一个或多个有效数据的数据帧。该消息还包括每个数据帧之间的开始和停止条件、读/写位和 ACK/NACK 位。

数据传输信号

数据有效条件

IIC 总线进行数据传输时，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，数据线上的电平状态才允许改变。因此，在时钟信号为高电平期间即 SCL 为 1 时，读取到的为有效数据。

起始条件和终止条件

SCL 线为高电平期间， SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号； SCL 线为高电平期间， SDA 线由低电平到高电平的变化表示终止信号。起始信号和终止信号都是由主机发送的。在起始信号产生之后，总线处于被占用的状态，在终止信号产生之后，总线处于空闲状态。

每次数据传送总是由主机产生的终止信号来结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

起始条件：SCL：高电平期间； SDA：由高到低。
终止条件：SCL：高电平器件； SDA：由低到高。

地址

IIC 通过寻址来让从机知道数据正在发送给它，而不是另一个从机站。
地址帧始终是新消息中起始位之后的第一个帧。后面的字节都是数据，不再是寻址，除非又重新来一个起始信号。主机发送地址时，总线上的每个从机都将地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址。

地址帧：每个从机唯一的 7 位、 8 位或 10 位序列，当主机想要与其通信时，该序列标识从机。

读/写

地址帧在末尾包含的一个位，通知从机是要向其写入还是从中读出数据。如果主机要向从机写数据，则读/写位为低电平，反之该位为高电平。

读/写位：指定主机是向从机发送数据还是从中请求数据的单个位。

应答

接收数据的 IIC 设备在接收到数据后，向发送数据的 IIC 设备发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。
ACK/NACK 位：消息中的每个帧后跟一个确认/不确认位。如果成功接收地址帧或数据帧，则从接收方向发送方返回 ACK 位，反之返回 NACK 位。

数据

在主机检测到来自从机寻址应答的 ACK 位后，数据帧就可以发送了。

数据帧的长度始终为 8 位，并且首先发送最高有效位。每个数据帧后紧跟一个 ACK/NACK 位，以验证是否已成功接收该帧。在发送下一个数据帧之前，ACK位必须由主机或从机接收。
发送完所有数据帧后，主机可以向从机发送停止条件以停止传输。

传输步骤

主机发送起始信号，将启动信号发送到每个连接的从机。

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起始信号

主机

从机

主机向每个从机发送它想要与之通信的从机的 7 位、 8 位或 10 位地址，以及读/写位。

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地址及读写位

主机

从机

每个从机进行寻址，将主机发送的地址与自身地址进行比较，若匹配，则发送 ACK 位应答信号,反之从机将 SDA 线路保持不变维持在高电平。

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主机

从机

寻址

产生 ACK 应答信号

地址匹配

地址不匹配

从机 SDA 维持高电平

主机发送或接收数据帧。

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数据帧

主机

从机

传输完每个数据帧后，接收方向发送方返回 ACK 位应答信号，确认成功接收数据帧。

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主机

从机

传输完成

产生 ACK 应答信号

主机发送停止信号。

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停止信号

主机

从机

IIC 通信优缺点

优点：

仅使用两根信号线
支持多个主机和多个从机
可使用 ACK/NACK 位确认每帧是否成功传输

缺点：

数据帧的大小限制为 8 位
硬件电路搭建复杂

补充

硬件 IIC 和软件模拟 IIC

硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，因而效率要远高于软件模拟的I2C；一般也较为稳定，但是程序较为繁琐。
软件I2C一般是用GPIO管脚，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形。

优缺点：

硬件IIC用法比较复杂，模拟IIC的流程更清楚一些。
硬件IIC速度比模拟快，并且可以用DMA
模拟IIC可以在任何管脚上，而硬件只能在固定管脚上。
硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。

至于如何区分它们，最关键的一点为，软件 IIC 没有寄存器配置的概念，所有时许都是通过 IO 口拉高拉低写时序完成。

软件 IIC 是使用程序控制 SCL , SDA 线输出高低电平，模拟 IIC 协议的时序。一般较硬件 IIC 稳定，但是程序较为繁琐。

硬件 IIC 只要调用 IIC 的控制函数即可，不用直接的去控制 SCL , SDA 高低电平的输出。但是有些单片机的硬件 IIC 不太稳定，调试问题较多。