IIC通信协议详解
IIC通信协议详解
IIC（Inter-Integrated Circuit）总线是由NXP公司开发的一种串行总线，主要用于主控制器和从机之间的通信。它适用于小数据量、传输距离短的场景，具有多主多从机制和ACK应答机制等特点。本文将详细介绍IIC协议的基本概念、硬件电路、软件时序、寻址方式以及时钟同步与仲裁机制。
IIC简介
IIC（Inter -Integrated Circuit）总线，是由NXP公司开发的串行总线，多用于主控制器和从机之间的通信，适用于小数据量，传输距离短的场景。
IIC特点：
1）只有一条数据线，为半双工
2）IIC为同步传输协议
3）IIC共有两条线，一条是SDA（数据线），一条是SCL（时钟线）
4）IIC有多主多从机制，常用为一主一从，一主多从
5）IIC有ACK应答机制，发送和接收数据，都需要接收和发送ACK
6）设备寻址，当IIC总线为一主多从时，可以通过7位或10位设备地址寻找从机进行通信
IIC的硬件电路
一主多从模型：
IIC 总线上的所有设备的SCL连接在一起，所有SDA连接在一起，然后外接一个上拉电阻。
总线上的SCL时钟线只能由主机控制，
主机可以发起对SDA的控制，而从机只有在向主机发送数据或回复ACK的时候，能短暂的控制SDA。
IIC设备的SCL和SDA引脚 均要配置为开漏输出模式，并且外接一个上拉电阻：
IIC只有一条数据线--SDA，所以SDA数据线在主机和从机之间是双向传输的，所以SDA线要反复的切换输入输出方式，如果总线时序没协调好，主机SDA输出高电平，从机SDA输出低电平，就会造成电源短路，
所以IIC协议规定，禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构，
如上图，IIC设备内部电路，SCL和SDA的电路结构相同，
IN是输入，因为输入对电路没有影响，直接输入，OUT是输出，采用的是开漏输出结构，所有设备只能输出低电平，或者浮空，这时就需要在总线上外置一个上拉电阻，通过电阻连接到的电源，这就是弱上拉。
好处：
1）完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全，
2）避免了引脚输入输出的频繁切换，例如SDA想要输出时，直接操控SDA线高低，想要输入，也不用切换为输入模式，直接读取SDA的高低电平。
3）有线与的特性，有一个设备输出低 总线就是低，可以用来进行多主机下仲裁机制。
IIC 软件时序
基本时序
1） 开始条件和结束条件
IIC在空闲状态下，SCL和SDA默认为高电平，因为外接了弱上拉电阻。
起始条件： SCL高电平期间，SDA从高电平到低电平
结束条件： SCL高电平期间，SDA从低电平到高电平
2）主机发送一个字节
在SCL低电平期间，主机将数据依次放到SDA数据线上（高位先行），然后放手SCL线，从机会在SCL高电平期间读取数据，因此在SCL为高电平期间SDA不允许有数据变化，循环8次发送一个字节
3）主机接收一个字节
在SCL低电平期间，主机将SDA的控制权交给从机，从机将数据依次放到SDA数据线上（高位先行），然后放手SCL线，主机会在SCL高电平期间读取数据，因此在SCL为高电平期间SDA不允许有数据变化，循环8次接收一个字节
注：主机在接收时需要释放SDA，释放SDA就相当于输入检测模式。
4）发送和接收应答
SDA线上，数据0表示应答，数据1表示非应答，
主机在发送数据后，会接收一位应答ACK，主机在发送完数据后，会释放SDA线，这时从机应该马上拉低SDA线，主机会在SCL高电平期间读取应答位，如果应答位为0，表示从机收到了数据，
主机在接收数据后，要发送应答位，从机会在发送完数据后，释放SDA线，这时主机就会把SDA拉低，从机在SCL高电平期间读取应答位，当主机没发送应答位，从机没有读取到应答，从机就会认为主机不想要数据了，就会停止发送数据，释放SDA线，防止干扰主机的行为。
复杂时序
IIC如何确认发送的数据到那个设备：IIC设备上的每个都会有设备地址，主机发送数据前，会先发送设备地址，这个设备每个设备都会收到，如果主机呼叫不是自己，后面的数据时序就不会参与，
相同的芯片挂载到同一总线，需要用到IIC设备地址中的可变部分，IIC总线上最多挂载128个设备
1）指定地址写
1）主机产生起始条件，
2）主机发送从机地址+读写标志位（0写/1读），等待从机ACK应答，
3）在发送第二个字节，是从机设备内部寄存器的地址，，等待从机ACK应答，
4）在发送第三个字节，是要写入从机设备的数据，等待ACK应答，
5）产生终止条件
2）指定地址读
1）产生起始条件
2）发送第一个字节，从机地址+写的标志位，等待ACK，
3）发送第二个字节，从机设备指定的地址，等待ACK，
4）此时 从机接收到数据后，当前指针就会指向这个地址，再产生起始条件，发送从机地址+读的标志位，等待ACK，此时，主机就会接收字节，这个字节就是指定地址的数据，
注：当要发送多个数据时，重复读取、写入就行，当前地址会自增，
但是注意，当要停止接收数据时，主机要给非应答（不拉低SDA），从机读取到非应答后，就会释放SDA，如果主机不给非应答，可能不能产生终止条件。
IIC寻址
IIC协议通信中，寻址是确定要发送或接收目标设备数据的过程，
1）地址格式
- IIC设备都有唯一的7位或10位地址，
- 有的IIC设备会有一个引脚决定 地址的最低位，例如 SHT30温度传感器，地址是 110101
当PA0 接VCC时，LSB为0，地址就是1101010. PA0接GND时，LSB为1，地址就是 1101011
2）地址类型
主机寻找通信的从机时，第一个发送的字节就是 7为从机地址+读/写标志位，
通常 写 是 0， 读 是 1
时钟同步与仲裁
时钟同步
在 I2C 总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在 SCL 线上的所有器件的 逻辑“与” 完成的。即如果有多个主机同时产生时钟，那么只有所有主机都发送高电平时，SCL 上才表现为高电平，否则 SCL 都表现为低电平。
SCL 线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使 SCL 线一直保持低电平，使 SCL 线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响 SCL 线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL 线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将 SCL 线拉成低电平。这样就在 SCL 线上产生一个同步时钟。
可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定
时钟仲裁
总线仲裁与时钟同步类似，当所有主机在 SDA 上都写 1 时，SDA 的数据才是 1，只要有一个主机写 0，那此时 SDA 上的数据就是 0。
一个主机每发送一个 bit 数据，在 SCL 为高电平时，就检查 SDA 的电平是否和发送的数据一致，如果不一致，这个主机便知道自己输掉了仲裁，然后停止向 SDA 写数据。也就是说，如果主机一致检查到总线上数据和自己发送的数据一致，则继续传输，这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的主机不会丢失数据。
输掉仲裁的主机在检测到自己输了之后也就不再产生时钟脉冲，并且要在总线空闲时才能重新传输。
仲裁的过程可能要经过多个 bit 的发送和检查，实际上两个主机如果发送的时序和数据完全一样，则两个主机都能正常完成整个数据传输。