一文深入理解IIC通信基础知识

码农爱学习 2022-06-08 21547

码农爱学习

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描述

玩单片机的朋友都知道IIC通信这个工具，但好多人只是会用，内部的原理不求甚解，或是想要了解其原理，但却对抽象的时序描述一头雾水。本文将从实测的IIC波形入手，带你看到真实的IIC样子，进而去理解IIC的通信原理。

IIC基础知识

首先复习一下IIC基础知识，这部分看不懂的请先带着疑问，然后我们通过分析IIC的真实波形，这些疑问可能就豁然开朗了~

IIC是什么

IIC(Inter Integrated Circuit，集成威廉希尔官方网站 总线)是一种由 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。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU (单片机)与IIC模块之间、IIC模块与IIC模块之间进行双向传送。

IIC的一些特点：

IIC是半双工，而不是全双工

IIC是真正的多主机总线，（对比SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏

起始和终止信号都是由主机发出的，连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号

在起始信号后必须发送一个7位从机地址+1位方向位，用“0”表示主机发送数据，“1”表示主机接收数据。

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

起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要

注：实际使用中，一般是单片机作为主机，其它器件作为从机，单片机先向器件发送信息表示要读取数据，之后转变传输方向，器件发送数据到单片机。

IIC物理连接

使用IIC通信的IIC器件有很多，比如陀螺仪加速度计MPU6050，EEPROM存储芯片AT24C02等，通过IIC总线，可以与单片机之间进行数据传输。

IIC通信线只有只有两根，数据线SDA的高低电平传输2进制的数据，时钟线SCL通过方波信号提供时钟节拍

多个IIC器件可以并联在IIC总线上，每个器件有特定的地址，分时共享IIC总线

实际使用IIC当然还要连接电源以及共地哦

波形

 

IIC时序

网上查找IIC的基础知识，可能会搜到这样的时序图：

波形

看起来好复杂的样子，这时可能一部分人就放弃思考了。

IIC起始结束信号

好吧，换个简单点的图，你也可能会搜到这样的图：

波形

这张图看起来更简单一些，描述了IIC的起始和停止条件：

起始：时钟线SCL为高时，数据线SDA由高到低

停止：时钟线SCL为高时，数据线SDA由低到高

注：SDA和SCL同时为高时，为IIC总线的空闲状态

IIC应答

再来看下面这张图：

波形

这表示IIC的应答机制

下面的波形：SCL，主机产生的时钟脉冲

上面的波形：SDA，主机发送的8位数据

中间的波形：SDA，从机在第9个时钟信号进行拉低回应，表示收到了主机发来的数据，拉高则表示不应答

注：实际上，上面和中间是同样的SDA线，这里只是分开示意。因为IIC应答是一种相互关系，单片机发数据给IIC器件，IIC器件要进行应答，表示收到了数据，同样，单片机接收IIC器件的数据后，也要给IIC器件一个应答。

既然发送完都需要对方回应，那什么时候使用不应答呢？就是在读取到本次数据后，如果不需要继续读取，则发送非应答，对方以为你没收到这次数据，则就不会继续发送了。

IIC完整传输时序

波形

开始标志（S）发出后，主设备会传送一个7 位的Slave 地址，并且后面跟着一个第8位，称为Read/Write 位。

R/W 位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。

然后，主设备释放SDA 线，等待从设备的应答信号（ACK）。每个字节的传输都要跟随有一个应答位。

应答产生时，从设备将SDA 线拉低并且在SCL 为高电平时保持低。

数据传输以停止标志（P）结束，然后释放总线。但主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备，而不发出结束标志。

所有的SDA 信号变化都要在SCL 时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志

常用的数据收发方式(时序)

上面1.3小节是IIC的基础时序，在实际使用中，一般是对某个IIC器件的某个寄存器进行读写操作，因此，对于寄存器的读写操作，还要遵循下面的组合时序逻辑。

写一个字节

用于对IIC器件某个寄存器的配置，如对MPU6050的某些参数进行设置。

波形

写寄存器时，主设备除了发出开始标志和地址位，还要加一个R/W 位，0 为写，1 为读

在第9 个时钟周期（高电平时），MPU6050 产生应答信号

主设备开始传送寄存器地址，并接到应答

然后开始传送寄存器数据，仍然要有应答信号

最后主设备发送停止信号。

连续写多个字节

对连续地址的写入，这个用的较少。

波形

通信时序与上面的“写一个字节”类似，上面是写一个字节后就停止了，若要连续写，则继续写即可，只要可以收到从机Ack。

读一个字节

用于读取IIC器件某个寄存器的数值。

波形

首先由主设备产生开始信号，然后发送从设备地址位和一个写数据位，等待应答

然后发送寄存器地址，才能开始读寄存器

收到应答信号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备地址位和一个读数据位

然后，作为从设备的MPU6050 产生应答信号并开始发送寄存器中的数据

通信以主设备产生的拒绝应答信号（nACK）和结束标志（Stop）结束

拒绝应答信号（nACK）产生定义为SDA 数据在第9 个时钟周期一直为高

连续读多个字节

也是用于读取IIC器件某个寄存器的数值，当某些数据一位字节不够表示，或有一组连续的数据需要读时，可以使用该模式。

波形

通信时序与上面的“读一个字节”类似，上面是读一个字节后就nAck叫停，若要连续写，则发送Ack，直到不需要继续读时再回复nAck。

 

复习了这么多，之前对IIC懵懵懂懂的是否依然犯迷糊，好了，现在从理论进入实践，看看真实的IIC是什么样子。

初识IIC真实波形

下面这张图是通过示波器抓取的IIC波形，可以看到：

时钟线SCL是一种间歇性的方波（需要通信时才产生方波）

数据线SDA根据SCL提供的节拍，高电平代表数据1，低电平代表数据0

没有数据传输时，SDA和SCL均为高电平状态

起始信号后，数据是9个一组，包括8位的数据和另一方的1位回应

图中红色数字表示单片机发送的8位数据，黄色数字表示IIC器件回应的信号，低电平0表示器件收到了单片机发来的数据。

波形

现在对IIC波形有没有多了一些直观的认识？下面再进入编程阶段，看看程序是怎么控制这两根线的。

编写IIC通信函数

IIC通信可以使用单片机自带的硬件IIC，它提供了固定的引脚接口和函数库。也可以自己通过软件编写来实现IIC时序，这时就可以任选引脚，也方便其它硬件平台的移植。

下面通过软件IIC的编写，从软件角度理解IIC通信逻辑。

以下函数都是单片机在执行，即主机发出的动作，所以一定要从单片机的角度思考哦~

另外，不要看到程序就匆匆掠过，为帮助理解，我对代码进行了一定的注解，仔细分析每条代码，想想与IIC的逻辑如何对应起来，IIC逻辑还没懂的，读完本篇，分析过真实的IIC波形后，再来看看代码，会有不一样的体会。

起始IIC_Start()

//==================================
//产生IIC起始信号
//==================================
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();   //sda线输出
	IIC_SDA=1;	  
	delay_us(2);	
	IIC_SCL=1;   //时钟线为高时
	delay_us(2);
 	IIC_SDA=0;   //数据线由高到低
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;   //时钟线拉低，钳住IIC总线，准备发送数据 
}

最后一句SCL拉低，然后就准备产生时钟信号，发送数据了。

停止IIC_Stop()

//==================================
//产生IIC停止信号
//==================================
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();  //sda线输出
	IIC_SCL=0;  //确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
	delay_us(2);
	IIC_SDA=0;
 	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;  //时钟线为高时
	IIC_SDA=1;  //数据线由低到高
	delay_us(4);							   	
}

停止前也要确保SCL是拉低的状态。

最后SDA和SCL都为高，即释放IIC总线，IIC总线进入空闲状态。

等待应答IIC_wait_Ack()

//==================================
//等待应答信号到来
//用于发送模式下，发送8位后，等待器件应答第9位
//返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
//==================================
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();                 //SDA设置为输入  
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	  //SDA先拉高，若被从机拉低则说明收到应答信号
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	  //SCL拉高，产生第9位的脉冲
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	  //SCL拉低，结束第9位的脉冲 
	return 0;  
}

在一定是时间内检测SDA是否被从机拉低，被拉低则说明从机收到了数据。

产生应答IIC_Ack()

//==================================
//产生ACK应答
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后，在第9位给出一个应答，我还要继续读
//==================================
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;    //确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
	SDA_OUT();    //SDA由读取改为发送
	delay_us(2);
	IIC_SDA=0;    //拉低SDA，表示应答
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;    //SCL先上升
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;    //SCL再下降，形成一个脉冲，应答才生效
}

单片机在接收器件数据后，进行回应，表示接收到了器件的数据。

该函数用在连续读取多个字节时，每读完一个字节(8位)，产生回应，表示还要进行读，这时器件就可以继续发数据了。

当单片机不需要继续读，如连续读的最后一个字节，或只读一个字节，单片机发送非应答信号，这时器件以为单片机没有收到数据，接下来就不会再发数据了。

非应答函数如下，就是拉高SDA：

不产生应答IIC_nAck()

//==================================
//不产生ACK应答	
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后，在第9位给出一个应答，我不想读了
//==================================
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;    //确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
	SDA_OUT();    //SDA由读取改为发送
	IIC_SDA=1;    //拉高SDA，表示不应答
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;    //SCL先上升
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;    //SCL再下降，形成一个脉冲，不应答才生效
}

IIC发送一个字节

//==================================
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答	
//==================================
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	               //SDA发送模式
    IIC_SCL=0;                 //拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; //SDA高低电平表示数据1和0
        txd<<=1; 	  
        delay_us(2);           //对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL=1;             //SCL先上升
        delay_us(2); 
        IIC_SCL=0;	           //SCL再下降，形成一个脉冲，发送一位数据生效
        delay_us(2);
    }	 
}

发送一个字节，就是分8次循环，产生8个时钟信号，并将SDA赋值为0或1。

IIC读取一个字节

//==================================
//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输入模式
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
        IIC_SCL=0;             //SCL先下降，通过循环，形成时钟脉冲
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;             //SCL上升
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)
			receive++;         //读取并组合记录数据，++表示读到1了，最低位置1
		delay_us(1); 
    }	
    //读取8位后，主机需要变为发送模式，在第9位进行应答或不应答
    //此时CLK还是高电平状态，不过下面的应答会先将CLK拉低的	
    if (!ack)
	{
		//读1个字节，或读多个字节读到最后一个字节时，使用nACK
		//然后配合使用IIC停止信号
        IIC_NAck();//发送nACK
	}
    else
	{
		//读多个字节还没读完时，使用ACK，表示现在读的ok，还要继续读
        IIC_Ack(); //发送ACK 
	}		
    return receive;
}

读取一个字节，也是分8次循环，产生8个时钟信号，并读取SDA的高低电平信号，最后，根据要不要继续读下一个字节，发送第9位的Ack或nACK。

真实IIC波形详细分析

读取从机数据（单字节读）

这张图展示IIC读某个器件的寄存器的一个字节的真实波形（注：实际是读了2个不同寄存器的值，每个寄存器读了1个字节，所以，可以先只看前半部分哦~），我已对波形进行了详细的注解。

对照着图，再来温习一下各个信号的特点：

起始信号：时钟线SCL为高时，数据线SDA由高到低

停止信号：时钟线SCL为高时，数据线SDA由低到高

数据信号：连续的8位，每一个SCL脉冲时钟对应的SDA，高电平为数据1，低电平为数据0

应答信号：第9位(数据信号后)，由对方产生的回应，0为产生回应，1为不产生回应

这幅图中，单片机先产生起始信号，然后发送7位器件地址+1位写标志(绿色的0)，并等待从机回应(从机拉低SDA表示收到数据)，接着发送8位寄存器地址，并等待从机回应。然后，单片机先再次产生起始信号，发送7位器件地址+1位读标志(绿色的1)，并等待从机回应。从机收到读的信号后，从机开始发送8位数据，主机接收到数据后，主机发送nAck不应答信号（图中的Ack(1)，主机将SDA拉高，从机则认为主机刚才没有收到它发送的数据，从机将不再继续发送），接着主机发送结束信号，读取完成。

此图后半部分是以相同方式读了另一个寄存器的值。

波形

上图中，SCL信号都是由单片机产生，SDA信号由单片机和IIC器件(从机)共同产生，当需要对IIC器件的寄存器写时，单片机产生SDA数据，当需要读取IIC器件的寄存器数据时，改变传输方向，IIC器件产生SDA数据。

对于主机和从机什么时候控制SDA，还可以参考这个图帮助理解：

波形

读取从机数据（多字节读）

上面是单字节读的波形，再来看看多字节的波形，前面的写器件地址、写寄存器地址1与单字节读一样，这张图只显示了后面不一样的部分，主要区别在于单片机接收到数据1后，产生低电平的应答，从而可以继续读取数据2。

（注意，因为传感器这次测得的数据不一样，所以读出的数据也不一样哦~）

波形

注：以上的IIC真实波形，是使用是硬件IIC，自己编写的软件IIC测得的波形，可能在两个信号的前后延时时间上稍有差别，但整体的时序逻辑肯定是一样的。

配置从机寄存器（单字节写与多字节写）

对于寄存器的配置，也就是IIC的写寄存器操作，我就不放图了，参考上面的“常用的数据收发方式(时序)”以及上面的IIC读寄存器的真实波形，IIC的写寄存器的真实波形，应该可以脑补出哦，哈哈~

 

最后

通过真实的IIC波形分析，对IIC通信逻辑有没有更加直观的认识呢？

　　审核编辑：汤梓红

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