詳解IIC通信協(xié)議原理

一、基本概念。

IIC(I2C)協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，用于連接微控制器和外圍設(shè)備。IIC協(xié)議只需要兩根信號(hào)線(時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA)就能完成設(shè)備之間的通信;支持多主機(jī)和多從機(jī)通信，通過(guò)設(shè)備地址區(qū)分不同的設(shè)備;標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，快速模式下可達(dá)400Kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s;具有應(yīng)答機(jī)制，可以檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和設(shè)備的存在性。

I2C通信協(xié)議使用兩根線(串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL)進(jìn)行通信，其中SDA用于傳輸數(shù)據(jù)，SCL用于傳輸時(shí)鐘信號(hào);支持多主設(shè)備和多從設(shè)備的通信，通過(guò)地址來(lái)識(shí)別不同的設(shè)備，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入操作。

I2C通信協(xié)議在很多嵌入式系統(tǒng)和電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，例如傳感器、存儲(chǔ)器、顯示屏等設(shè)備之間的通信;由于其簡(jiǎn)單的硬件連接和靈活的設(shè)備支持，I2C通信協(xié)議在許多應(yīng)用中都具有很好的適用性。

物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通信的原理是控制SCL和SDA的時(shí)序，時(shí)期滿足總線協(xié)議從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。 I2C總線上每一個(gè)設(shè)備都可以作為主機(jī)或者從機(jī)，而且每一個(gè)設(shè)備都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址(地址可以從器件手冊(cè)得知)。主從設(shè)備之間通過(guò)這個(gè)地址來(lái)確定與哪個(gè)器件進(jìn)行通信。 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。主設(shè)備與從設(shè)備之間以字節(jié)(8位)位單位進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

二、時(shí)序介紹。 整體時(shí)序圖如下：

I2C協(xié)議整體時(shí)序圖

協(xié)議時(shí)序狀態(tài)說(shuō)明： (1)總線空閑狀態(tài)：SDA為高電平，SCL為高電平。 (2)I2C協(xié)議起始位：SCL為高電平，SDA出現(xiàn)下降沿，產(chǎn)生一個(gè)起始位。 (3)I2C協(xié)議結(jié)束位：SCL為高電平，SDA出現(xiàn)上升沿，產(chǎn)生一個(gè)結(jié)束位。 (4)I2C讀寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)：主要包括數(shù)據(jù)的串行輸入輸出和數(shù)據(jù)接受方對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送方的響應(yīng)信號(hào)。具體的時(shí)序如圖：

讀寫(xiě)數(shù)據(jù)具體時(shí)序

當(dāng)主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)在SCL的高電平期間被寫(xiě)入從機(jī)中。從主機(jī)的角度看，需要在SCL低電平期間改變要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。而當(dāng)主機(jī)讀從機(jī)中的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)在SCL低電平期間改變要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，在SCL的高電平期間數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，從主機(jī)角度看，需要在SCL的高電平期間將SDA上的數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)。 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程：每當(dāng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)或命令傳輸完成時(shí)，數(shù)據(jù)接受方會(huì)發(fā)送一位應(yīng)答位，在響應(yīng)應(yīng)答位時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)出方將SDA總線設(shè)置為三態(tài)輸入，由于總線上都有上拉電阻嗎，因此此時(shí)總線默認(rèn)為高電平，若數(shù)據(jù)接受方正確接受數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)接受方將SDA總線拉低，表示此次的數(shù)據(jù)或命令接受成功。所以，主機(jī)將一字節(jié)的數(shù)據(jù)或命令傳出后，會(huì)將SDA信號(hào)設(shè)置為三態(tài)輸入，等待從機(jī)應(yīng)答，即SDA被從機(jī)拉為低電平，若應(yīng)答正確，表明可以結(jié)束或開(kāi)始下一個(gè)數(shù)據(jù)或命令的傳輸，否則表明當(dāng)前的數(shù)據(jù)或命令傳輸失敗，主機(jī)就可以放棄寫(xiě)入或者重新發(fā)起寫(xiě)入。

三、I2C器件地址。 每個(gè)I2C器件都有一個(gè)器件地址，有的器件地址在出廠就設(shè)置好，無(wú)需更改，有的留下幾個(gè)控制地址的引腳，由用戶自己在硬件設(shè)計(jì)時(shí)確定。 一般情況下主機(jī)和從機(jī)的角色是確定的，主機(jī)向總線上發(fā)送地址信息，這條總線上所有的從機(jī)都會(huì)接收到總線上發(fā)來(lái)的地址，并與從機(jī)本身的地址做比較，如果一致，則匹配成功，相應(yīng)的從機(jī)向總線上發(fā)送一位應(yīng)答位，表示此次通信建立起來(lái)了，主機(jī)沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)則表示尋址失敗。 I2C協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主機(jī)首先需要向總線上發(fā)出控制命令，其中，包括從機(jī)的器件地址和讀寫(xiě)控制，然后等待相應(yīng)的從機(jī)響應(yīng)。如圖：

控制命令傳輸數(shù)據(jù)格式

I2C 傳輸時(shí)，按照從高到低的位序進(jìn)行傳輸?？刂谱止?jié)的最低位為讀寫(xiě)控制位，當(dāng)該位為 0 時(shí)表示主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行寫(xiě)操作，當(dāng)該位為 1 時(shí)表示主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行讀操作。例如，當(dāng)需要對(duì)片選地址為 3’b100 的器件 發(fā)起寫(xiě)操作，則控制字節(jié)應(yīng)該為 1010_100_0。若進(jìn)行讀操作，則控制字節(jié)應(yīng)該為 1010_100_1。

四、I2C存儲(chǔ)器地址。 每個(gè)支持I2C協(xié)議的器件，內(nèi)部總會(huì)有一些可供讀寫(xiě)的寄存器或存儲(chǔ)器，因此，我們需要對(duì)一個(gè)器件的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫(xiě)，就必須要能夠指定存儲(chǔ)器單元的地址。I2C協(xié)議設(shè)計(jì)了有從機(jī)存儲(chǔ)器單元尋址地址段，該地址段為一個(gè)字節(jié)或兩個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，在主機(jī)確認(rèn)收到從機(jī)返回的控制字節(jié)響應(yīng)后由主機(jī)發(fā)出，地址長(zhǎng)度因器件類型不同。以下是一個(gè)字節(jié)和兩個(gè)字節(jié)的示意圖：

一個(gè)存儲(chǔ)器字節(jié)地址

存儲(chǔ)器兩個(gè)字節(jié)地址

五、I2C寫(xiě)時(shí)序。 1、單字節(jié)寫(xiě)時(shí)序：不同器件地址字節(jié)不同，所以對(duì)于寫(xiě)時(shí)序會(huì)有差別，圖示為1字節(jié)地址段器件單字節(jié)寫(xiě)時(shí)序圖。

iic通信協(xié)議原理(https協(xié)議原理)

根據(jù)時(shí)序圖，從主機(jī)的角度分析一次寫(xiě)入單字節(jié)數(shù)據(jù)過(guò)程如下; a、主機(jī)設(shè)置SDA為輸出; b、主機(jī)發(fā)出起始信號(hào); c、主機(jī)傳輸器件地址字節(jié)，其中最低位為0，表明為寫(xiě)操作; d、主機(jī)設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，等待讀取從機(jī)應(yīng)答信號(hào); e、讀取應(yīng)答位信號(hào)成功，主機(jī)設(shè)置SDA為輸出，傳輸1字節(jié)地址數(shù)據(jù); f、主機(jī)設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取應(yīng)答信號(hào); g、讀取應(yīng)答信號(hào)成功，對(duì)于兩字節(jié)地址段器件，傳輸?shù)刂窋?shù)據(jù)低字節(jié)，對(duì)于1字節(jié)地址段器件，主機(jī)設(shè)置為輸出，開(kāi)始傳輸待寫(xiě)入的數(shù)據(jù); h、設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取應(yīng)答信號(hào)，對(duì)于兩字節(jié)地址段器件，接著發(fā)送一次低字節(jié)位地址信息，并讀取應(yīng)答信號(hào); i、讀取應(yīng)答信號(hào)成功，主機(jī)產(chǎn)生STOP位，終止傳輸。 2、I2C連續(xù)寫(xiě)時(shí)序(頁(yè)寫(xiě)時(shí)序) 連續(xù)寫(xiě)也稱頁(yè)寫(xiě)，但不是所有的器件都支持連續(xù)寫(xiě)時(shí)序，連續(xù)寫(xiě)是主機(jī)連續(xù)寫(xiě)多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到從機(jī)，和單字節(jié)寫(xiě)操作類似，下圖為連續(xù)寫(xiě)時(shí)序：

頁(yè)寫(xiě)時(shí)序

六、I2C讀時(shí)序。 1、單字節(jié)讀時(shí)序。 單字節(jié)讀操作分為1字節(jié)地址段器件單字節(jié)數(shù)據(jù)讀操作和2字節(jié)地址段器件單字節(jié)數(shù)據(jù)讀操作。以下為1字節(jié)地址段器件單字節(jié)數(shù)據(jù)讀操作：

1字節(jié)地址段器件

從主機(jī)角度描述一次讀取數(shù)據(jù)過(guò)程： a、主機(jī)設(shè)置SDA為輸出; b、主機(jī)發(fā)起起始信號(hào); c、主機(jī)傳輸器件地址字節(jié)，其中最低位為0，表明為寫(xiě)操作; d、主機(jī)設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取從機(jī)應(yīng)答信號(hào); e、讀取英達(dá)信號(hào)成功，主機(jī)設(shè)置SDA為輸出，傳輸1字節(jié)地址數(shù)據(jù); f、主機(jī)設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取從機(jī)應(yīng)答信號(hào); g、讀取應(yīng)答信號(hào)成功，主機(jī)設(shè)置SDA為輸出，對(duì)于兩字節(jié)的地址段器件，接著傳輸?shù)妥止?jié)地址數(shù)據(jù)，對(duì)于1字節(jié)地址段器件跳過(guò)次步驟; h、主機(jī)發(fā)起起始信號(hào); i、主機(jī)傳輸器件地址字節(jié)，其中最低位為1，表明為讀操作; j、設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取從機(jī)應(yīng)答位信號(hào); k、讀取應(yīng)答位信號(hào)成功，主機(jī)設(shè)置SDA為三態(tài)輸入，讀取SDA總線上的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù); l、產(chǎn)生無(wú)應(yīng)答信號(hào)(高電平)，無(wú)需設(shè)置為輸出高電平，由于上拉電阻的原因，總線會(huì)被自動(dòng)拉高。 m、主機(jī)產(chǎn)生STOP位，終止傳輸。 2、連續(xù)讀時(shí)序(頁(yè)讀取) 連續(xù)讀是主機(jī)連續(xù)從從機(jī)讀取多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，這個(gè)和單字節(jié)讀操作類似。如下：

連續(xù)讀時(shí)序

具體時(shí)序分析類似于單字節(jié)讀取。