协议详解：IIC协议入门指南

        IIC简介

        IIC是一种同步串行通信接口，采用半双工模式，即同一时刻只能是输入模式或者输出模式。

        如下图所示为IIC结构图：

                                                                图1 IIC总线结构图

        简单总结IIC特性如下：

        1、IIC由SCL和SDA组成，并配有上拉电阻，上拉电阻阻值一般为4.7K；

        2、SDA线用于数据的双向传输，‌而SCL线由主设备控制，‌生成时钟信号以同步通信过程。

        3、IIC总线可以挂多个主从设备，每个设备公用两条总线，，一般由主设备发起读写访问，上图以FPGA作为主设备访问多个从设备读写操作；

        4、每个从设备都有自己的唯一地址，地址不可以重复；

        5、IIC速度一般在100~400KHz,最高时钟频率在1MHz左右。

        IIC设备内部硬件设计：

        SCL和SDA均设置为开楼模式输出，如下图所示为IIC内部设计图：

                                                        图2 IIC设备内部设计图

        如上图所示，IIC总线设计的开漏输出，其工作原理如下：

        1、当设备输出低电平时，经过反向电路后到CMOS管的G端为1，CMOS导通，输出到总线OUT端的点平稳定在低电平。

        2、设备输出高电平时，CMOS管G端为0，CMOS管不导通，OUT处于断开状态，经过上拉电阻后输出高电平。

        开漏设计的优点很明显，多个设备可能会同时尝试控制总线。由于开漏设计，任何设备都可以安全地将总线拉低而不会对其他设备造成伤害，任何一个设备需要输出低电平，该设备的CMOS管导通，可以令总线拉低。

        上拉电阻的特点如下：

        1、提供拉高电平：

        设备将总线释放时，上拉电阻将SDA和SCL线拉高到正逻辑电平（通常是Vcc），确保线路在非驱动状态时为高电平。

        2、限制电流：

        当总线设备将SDA或SCL线拉低时，上拉电阻起到限流的作用，防止电流过大导致设备损坏。

        3、增强信号完整性：

        上拉电阻也有助于维护信号的完整性，减少因为长线路或者其他电气特性引起的信号退化。

        选择合适的上拉电阻值是很重要的。电阻值太大，电流太小，导致总线拉高速度变慢，影响通信速率；电阻值太小，可能导致电流过大，浪费功率，且拉低总线时可能会对设备造成损害。通常，上拉电阻的选择取决于总线容量（总线上设备的数量和总线长度）和系统工作的电源电压。常见的电阻值范围从1.8kΩ到10kΩ不等。

        IIC协议

这里先了解IIC的四个标志信号特性，分别是起始信号、终止信号、应答信号、非应答信号。如下图所示：

                                                        图3 IIC 信号标志

        SCL在高电平期间 SDA由高到低代表起始始信号；

        SCL在高电平期间 SDA由低搭到高代表终止信号；

        应答信号ACK=1；代表从设备通信成功；

        非应答信号NACK=0，代表从设备未通信成功；

       IIC通信图如下图所示：

                                                                图4 IIC通信图

        通信过程中，SCL为高电平时需要保证数据已稳定并采样，SCL为低电平时数据可变化。比较稳妥的设计时SCL在上升沿到来之前，SDA已经准备好数据。

        如下图所示位数据通信时序图：

                                                        图5 IIC数据传输时序图

        IIC通信写动作要比读流程简单，单个Byt写操作流程如下（绿色代表主到从，蓝色代表从到主）：

多个Byte写流程如下：

        不同于单个Byte操作的是会连续编写多个data，每个写data后面会紧跟着一个ack应答。

        以BMP581传感器举例，如下图所示代表寄存器单个Byte写操作：

                                                            图6 BMP581IIC单个Byte写操作

        写操作和上面介绍的一致，需要注意的是上图中由于register寄存器地址只有7位，所以register地址最高位X是无效的意思，0或者1都可以。

        如下图所示BMP581连续写操作

                                                        图7 BMP581IIC多个Byte写操作

        多个写操作数据的地址会自动在起始写地址的基础上累加，传感器寄存器读写配置基本都符合该操作。

        读操作相比较会复杂一些，依然用bmp581传感器为例，IIC读操作如下图所示：

                                                图8 RESTART IIC读操作

        IIC读操作需要先进行写地址配置，只有确认要读的地址后，再进行读操作。上图黄色的代表主设备输出，蓝色的代表从设备返回的数据，操作流程如下：

        1、主设备发起IIC起始位；

        2、主设备发送要操控的从设备地址+写（0）；

        3、主设备释放SDA总线，从设备返回ACK表示已接收到命令；

        4、主设备发送要访问的寄存器地址；

        5、主设备释放SDA总线，从设备返回ACK表示已接收到命令；

        到这里读操作的第一步已经完成，接下来进行指定寄存器读操作：

        1、主设备发送RESTART信号，该信号和START信号一样；

        2、主设备发送要操控的从设备地址+读（1）；

        3、主设备释放SDA总线，从设备返回ACK表示已接收到命令；

        4、从设备返回前面指定的寄存器地址所存储的值；

        5、主设备返回ACK；

        6、主设备持续发送SCL时钟，从设备返回地址+1寄存器的值以此类推；

        7、主设备发送停止位，读通信结束；

        如果对上面RESTART不好理解，读操作也可进行如下通信：

                                        图9 STOP-START IIC读操作

        这里操作上和RESTART基本类似，不同的是每一个START都配有一个STOP，首先写指定要读的地址，再对指定地址读操作。

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作者：热爱学习地派大星