嵌入式学习笔记：IIC协议

IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路间总线），是由飞利浦（现 NXP）开发的一种短距离、低速、串行通信协议，主要用于芯片间的数据交互。其核心特点是通过两根信号线实现多设备互联，结构简单且灵活，广泛应用于嵌入式系统中。

一、基本概念与核心特点

• 核心架构：支持多主从模式（多个主设备和多个从设备共享总线）。
• 信号线：仅需两根线即可通信 ——
  • SDA（Serial Data Line）：串行数据线，双向传输数据。
  • SCL（Serial Clock Line）：串行时钟线，控制数据传输节奏，通常由主设备生成（多主模式下可能竞争）。
• 识别方式：通过设备地址区分总线上的不同从设备，无需片选线（与 SPI 不同）。

二、物理层特性

IIC 的物理连接和电气特性是其稳定工作的基础，核心包括：

1. 总线连接方式

所有设备的 SDA 和 SCL 分别并联连接，形成共享总线。每个设备的 SDA 和 SCL 引脚均采用开漏输出（Open-Drain） 设计，需外接上拉电阻（通常 1kΩ~10kΩ，根据速率和总线长度选择）。

• 开漏输出 + 上拉电阻的作用：实现 “线与逻辑”—— 当多个设备同时驱动总线时，只要有一个设备将总线拉低，总线就为低电平；只有所有设备都不驱动总线时，总线才通过上拉电阻保持高电平。

三、协议层核心时序

IIC 协议通过严格的时序定义实现数据传输，核心时序包括起始信号、停止信号、数据有效性、应答信号。（这里可以理解为只有SCL高电平时设备才会读取SDA上的数据）

1. 起始信号（S）

• 定义：当 SCL 为高电平时，SDA 由高电平跳变为低电平（下降沿），表示数据传输开始。
• 作用：通知总线上的所有设备，后续数据传输即将开始。

2. 停止信号（P）

• 定义：当 SCL 为高电平时，SDA 由低电平跳变为高电平（上升沿），表示数据传输结束。
• 作用：释放总线，允许其他主设备接管或从设备进入空闲状态。

3. 数据有效性

IIC 以8 位（1 字节） 为单位传输数据，数据的有效性由 SCL 和 SDA 的配合决定：

• 当 SCL 为高电平时，SDA 的电平必须保持稳定（高或低），此时的 SDA 状态代表 1 位数据（高 = 1，低 = 0）。
• 当 SCL 为低电平时，SDA 可以改变状态（高低切换），用于准备下一位数据。

4. 应答信号（ACK/NACK）

每传输 1 字节（8 位）后，接收方需通过第 9 个时钟周期反馈是否正确接收，称为 “应答”：

• ACK（应答）：接收方在第 9 个时钟周期将 SDA 拉低（低电平），表示已正确接收数据。
• NACK（非应答）：接收方在第 9 个时钟周期让 SDA 保持高电平（通过上拉电阻），表示未接收或结束传输。主设备收到 NACK 后，通常会发送停止信号终止传输。

四、数据传输流程

IIC 的数据传输以 “起始信号→地址传输→数据交互→停止信号” 为基本框架，具体流程因读写操作略有差异。

1. 核心要素：从设备地址与读写位

• 从设备地址：总线上的每个从设备都有唯一地址（7 位或 10 位），用于主设备识别目标设备。
  • 7 位地址最常用，范围 0x00~0x7F（0~127），其中部分地址为保留地址（如 0x00 为广播地址）。
  • 10 位地址用于需要更多设备的场景，通过特殊前缀 + 10 位地址分段传输。
• 读写位（R/W）：紧跟设备地址的第 8 位（7 位地址时），用于指定传输方向：
  • 0：写操作（主设备→从设备）。
  • 1：读操作（从设备→主设备）。

2. 写操作流程（主→从）

1. 主设备发送起始信号（S）。
2. 主设备发送 “从设备地址 + 写位（0）”（共 8 位）。
3. 从设备若地址匹配，在第 9 个时钟周期发送ACK；不匹配则无响应。
4. 主设备收到 ACK 后，发送第 1 个数据字节（8 位）。
5. 从设备接收后发送ACK，主设备继续发送后续数据。
6. 所有数据发送完成后，主设备发送停止信号（P），结束传输。

3. 读操作流程（从→主）

1. 主设备发送起始信号（S）。
2. 主设备发送 “从设备地址 + 写位（0）”（先告知从设备后续要读数据，可能需先指定寄存器地址）。
3. 从设备发送ACK，主设备发送目标寄存器地址（若需）。
4. 从设备发送ACK后，主设备发送重复起始信号（Sr）（代替停止信号，保持总线控制权）。
5. 主设备发送 “从设备地址 + 读位（1）”。
6. 从设备发送ACK后，开始发送数据字节（8 位）。
7. 主设备接收后，若需继续接收，发送ACK；若结束，发送NACK。
8. 主设备发送停止信号（P），结束传输。

五、多主设备仲裁

当多个主设备同时接入总线时，通过 “仲裁机制” 避免冲突：

• 总线上的主设备同时发送数据时，通过 “线与逻辑” 比较各自的 SDA 信号：
  • 若某主设备发现自己发送的 SDA 电平与总线实际电平不符（如自己发高电平，总线却为低），则立即停止驱动总线，放弃控制权。
• 仲裁过程中，已传输的正确数据不会丢失，最终只有一个主设备获得总线控制权。

六、速率等级

IIC 支持多种速率，适应不同场景需求：

• 标准模式（Standard-mode）：100kbps
• 快速模式（Fast-mode）：400kbps
• 快速模式 +（Fast-mode Plus）：1Mbps
• 高速模式（High-speed mode）：3.4Mbps

七、特点总结

优点	缺点
仅需 2 根线，硬件设计简单	速率较低（最高 3.4Mbps），不适合高速传输
多主从架构，灵活扩展设备	总线电容限制（电容过大会降低速率）
地址识别 + 应答机制，可靠性高	开漏输出依赖上拉电阻，需合理选型
支持仲裁，多主设备兼容	长距离传输时信号易受干扰

八、典型应用场景

IIC 因结构简单、可靠性高，广泛用于短距离低速通信场景：

• 传感器（温湿度、加速度计、光照传感器等）与 MCU 的通信。
• EEPROM（电可擦除存储器）的数据读写。
• OLED/LCD 显示屏的控制信号传输。
• 实时时钟（RTC）、电源管理芯片的配置与监控。

总之，IIC 是一种兼顾灵活性与可靠性的串行协议，其简洁的设计使其成为嵌入式系统中芯片间通信的首选方案之一。