IIC原理超详细讲解—值得一看[通俗易懂]

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- IIC 简介

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
在这里插入图片描述

ＩＩＣ的物理层

IIC一共有只有两个总线：一条是双向的串行数据线ＳＤＡ，一条是串行时钟线ＳＣＬ

SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的
SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟也就是控制数据发送的时序的

所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

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IIC主要特点：

通常我们为了方便把IIC设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（即控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。**

IIC主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
IIC从设备功能：可编程的IIC地址检测，停止位检测
IIC的一个优点是它支持多主控(multimastering)，其中任何一个能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
支持不同速率的通讯速度，标准速度(最高速度100kHZ),快速（最高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
为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或集电极开路（OC）输出。这一点在等下我们会讲解

IIC的高阻态

漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻

高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态。逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路。电路分析时高阻态可做开路理解。

我们知道IIC的所有设备是接在一根总线上的，那么我们进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那么这时候其余的空闲设备可能会受到总线干扰，或者干扰到总线，怎么办呢？

为了避免总线信号的混乱，IIC的空闲状态只能有外部上拉，而此时空闲设备被拉到了高阻态，也就是相当于断路，整个IIC总线只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

在这里插入图片描述

IIC器件地址： 每一个IIC器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设定好了，用户不可以更改,比如OV7670的地址为0x42。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定为1010，后三个地址是由硬件链接确定的，所以一IIC总线最多能连8个EEPROM芯片。

IIC物理层总结：

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，485也为半双工，SPI和uart通信为全双工。

主机和从机的概念：

主机就是负责整个系统的任务协调与分配，从机一般是通过接收主机的指令从而完成某些特定的任务，主机和从机之间通过总线连接，进行数据通讯。

发布主要命令的称为主机
接受命令的称为从机

半双工和全双工：

ＩＩＣ的协议层

I2C 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。

开始信号：SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

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 总线时序图

下面我们来详细的介绍下IIC的通信协议流程：

初始(空闲)状态

因为IIC的 SCL 和SDA 都需要接上拉电阻，保证空闲状态的稳定性

所以IIC总线在空闲状态下SCL 和SDA都保持高电平

代码：

void IIC_init()       //IIC初始化

{ 
   

       SCL=1; //首先把时钟线拉高

       delay_us(4);//延时函数

       SDA=1; //在SCL为高的情况下把SDA拉高

       delay_us(4); //延时函数

}

开始信号：

SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时(>4.7us)，SCL变为低电平。

在这里插入图片描述

代码表示：

//产生IIC起始信号
//1.先拉高SDA，再拉高SCL，空闲状态
//2.拉低SDA
void IIC_Start()         //启动信号

{ 
   
       SDA=1; //确保SDA线为高电平
       delay_us(5);
       SCL=1;  //确保SCL高电平
       delay_us(5);
       SDA=0; //在SCL为高时拉低SDA线，即为起始信号
       delay_us(5);
       SCL=0;   //钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
    
}

停止信号

停止信号：SCL保持高电平。SDA由低电平变为高电平。

在这里插入图片描述

//产生IIC停止信号
//1.先拉低SDA，再拉低SCL
//2.拉高SCL
//3.拉高SDA
//4.停止接收数据
void IIC_Stop(void)
{ 
   

	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;    //STOP:当SCL高时，数据由低变高
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;    //发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}

在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。

在这里插入图片描述

数据有效性

IIC信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

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

在这里插入图片描述

应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

在这里插入图片描述

**每发送一个字节（8个bit）**在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，

在这里插入图片描述

//主机产生应答信号ACK
//1.先拉低SCL，再拉低SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL## 标题
void I2C_Ack(void)
{ 
   
   IIC_SCL=0;   //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   IIC_SDA=0;   
   delay_us(2);
   IIC_SCL=1;
   delay_us(5);
   IIC_SCL=0;
}


//主机不产生应答信号NACK
//1.先拉低SCL，再拉高SDA
//2.拉高SCL
//3.拉低SCL
void I2C_NAck(void)
{ 
   
   IIC_SCL=0;   //先拉低SCL，使得SDA数据可以发生改变
   IIC_SDA=1;   //拉高SDA，不产生应答信号
   delay_us(2);
   IIC_SCL=1;
   delay_us(5);
   IIC_SCL=0;
}

等待应答信号：

//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
// 0，接收应答成功
char IIC_Wait_Ack(void)
{ 
   
	u8 ucErrTime=0;
	 
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(IIC_SDA)
	{ 
   
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{ 
   
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 
	return 0;  
}

IIC数据传送

数据传送格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK，此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

IIC写数据：

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，

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

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
在这里插入图片描述

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。

IIC发送一个字节数据：

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答 

//IIC_SCL=0;
//在SCL上升沿时准备好数据，进行传送数据时，拉高拉低SDA，因为传输一个字节，一个SCL脉冲里传输一个位。
//数据传输过程中，数据传输保持稳定（在SCL高电平期间，SDA一直保持稳定，没有跳变）
//只有当SCL被拉低后，SDA才能被改变
//总结：在SCL为高电平期间，发送数据，发送8次数据，数据为1,SDA被拉高，数据为0，SDA被拉低。
//传输期间保持传输稳定，所以数据线仅可以在时钟SCL为低电平时改变。
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{ 
                           
    u8 t;   
    SDA_OUT();         
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    { 
                 
        //IIC_SDA=txd&0x80; //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后数据左移一位
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
        if(txd&0x80)
            IIC_SDA=1;
        else
            IIC_SDA=0;
        txd<<=1;       
        delay_us(2);   
        IIC_SCL=1;
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }     
}       
或者：
        //IIC_SDA=txd&0x80; //获取最高位
        //获取数据的最高位，然后右移7位,假设为 1000 0000 右移7位为 0000 0001 
        // 假设为 0000 0000 右移7位为 0000 0000 
        //如果某位为1，则SDA为1，否则相反
        IIC_SDA=((txd&0x80)>>7);
        txd<<=1;

IIC读取一个字节数据：


//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK 
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{ 
   
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();        //SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
	{ 
   
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();        //发送nACK
    else
        IIC_Ack();         //发送ACK 
    return receive;
}

IIC发送数据

在这里插入图片描述

Start: IIC开始信号，表示开始传输。
DEVICE_ADDRESS:: 从设备地址,就是7位从机地址
R/W： W(write)为写，R(read)为读
ACK：应答信号
WORD_ADDRESS ：从机中对应的寄存器地址比方说访问 OLED中的某个寄存器
DATA: 发送的数据
STOP: 停止信号。结束IIC

主机要向从机写数据时：

主机首先产生START信号

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)

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，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器

这时候主机等待从机的应答信号(A)

当主机收到应答信号时，发送要访问从机的那个地址，继续等待从机的应答信号

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，

主机产生停止信号，结束传送过程。

IIC读数据：

在这里插入图片描述
主机要从从机读数据时

主机首先产生START信号

然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，

这时候主机等待从机的应答信号(ACK)

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，

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，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，

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1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不在接收数据

主机进而产生停止信号，结束传送过程。

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。
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

向AT24C02中写数据
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述
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。


//IIC发送数据
//address 要写入的地址
//date 要写入的数据
void write_add(uchar address,uchar date)
{ 
   
        IIC_Start();
        IIC_Send_Byte(0xA0);
       	delay(2);
        IIC_Send_Byte(address);
        delay(2);
        IIC_Send_Byte(date);
       delay(2);
        IIC_Stop();
}
//IIC读取数据
// address 要读取数据的地址
uchar read_add(uchar address)  //指定地址读一个字节数据
{ 
   
	uchar add;
	IIC_Start();
	IIC_Send_Byte(0xA0);
	delay(2);
	IIC_Send_Byte(address);
	delay(2);
	IIC_Start();
	IIC_Send_Byte(0xA1);
	delay(2);
	dd=IIC_Read_Byte();
	 IIC_Stop();
	return add;
}

软件IIC和硬件IIC

IIC分为软件IIC和硬件IIC

软件IIC：软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。

硬件IIC：一块硬件电路，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，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。

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。

在这里插入图片描述

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IIC原理超详细讲解—值得一看[通俗易懂]

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IIC 简介

ＩＩＣ的物理层

IIC的高阻态

IIC物理层总结：

ＩＩＣ的协议层

IIC 总线时序图

初始(空闲)状态

开始信号：

停止信号

数据有效性

应答信号

IIC数据传送

数据传送格式

IIC发送数据

IIC读数据：

以AT24C02为例子

软件IIC和硬件IIC

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