面试遇到再不怕了：IIC协议

 

I2C（Inter-Integrated Circuit），有时也称为IIC或TWI（Two-Wire Interface），是一种用于低速度串行通信的总线协议，主要用于连接微控制器与其外围设备，如传感器、EEPROM、RTC（实时时钟）等。I2C 由飞利浦半导体（现今的恩智浦半导体）在1980年代初期开发。

I2C 通信仅需两根线：

SDA（Serial Data）：数据线，用于数据的双向传输。

SCL（Serial Clock）：时钟线，用于同步信号。

I2C 协议的特点包括：

主从架构：

在I2C总线上，任何设备都可以是主设备或从设备。主设备负责生成时钟信号和控制总线，而从设备接收主设备的指令。通常，微控制器充当主设备的角色。

支持多主设备和多从设备：

I2C 总线允许多个主设备和多个从设备共存，每个设备都有唯一的地址。在多主模式下，各主设备需要通过一定的仲裁机制来协调对总线的访问。

地址和数据传输：

在I2C通信中，数据传输是通过发送设备地址加读写位开始的，随后跟随的是数据传输。如果有多个从设备，主设备通过地址来指定与之通信的从设备。

同步：

I2C是一种同步协议，意味着数据的传输是由时钟信号（SCL线）来控制的。

I2C 协议的优点是简单、成本低且灵活，只需两根线就能连接多个设备。不足之处是速度相比SPI和UART较慢，且总线长度有限制，随着连接的设备数量增加，可能会影响通信速度和可靠性。

一、IIC的通信流程

启动信号：

通信开始时，主设备发出启动信号。这通过将数据线（SDA）从高电平拉低，而时钟线（SCL）保持在高电平来实现。这个动作通知所有从设备主设备即将开始通信。

发送设备地址及读写位：

紧接着启动信号，主设备发送从设备的地址以及操作位（读/写）到数据线上。每个从设备都有一个唯一的地址。读写位决定了操作是读数据（通常设为1）还是写数据（通常设为0）。

从设备应答：

地址和读写位发送完毕后，被寻址的从设备需要通过发送一个应答信号（ACK）来响应。应答信号是在数据线（SDA）上产生一个低电平信号，同时时钟线（SCL）为高电平。

数据传输：

成功建立连接和从设备应答之后，数据可以开始传输。数据是按字节传输的，每传输完一个字节后，接收方（无论是主设备还是从设备）都需要发送一个应答信号（ACK）。

停止信号：

数据传输完成后，主设备发出一个停止信号来终止通信。这通过将数据线（SDA）从低电平拉高，而时钟线（SCL）保持在高电平来实现，标志着一次I2C交流的结束。

二、发送1bit数据的流程

主设备首先确保时钟线SCL处于高电平状态。

然后，主设备会将要发送的比特数据设置在数据线SDA上。如果发送的是‘1’比特，SDA线会被设置为高电平；如果发送的是‘0’比特，SDA线会被设置为低电平。SDA线上的数据必须在SCL线的一个时钟脉冲开始之前稳定。

在数据线SDA稳定后，主设备通过将时钟线SCL从高电平拉低到低电平，来通知从设备数据线上的数据可以被读取。从设备在SCL线为高电平的时候读取SDA线上的数据。

完成这个数据位的传输后，主设备通常会将时钟线SCL恢复到高电平，准备发送下一个比特或产生一个停止条件以结束通信。

重要的是，在SCL线为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，因为任何在SCL高电平时的SDA变化都可能被视为控制信号（例如启动或停止条件）。

三、IIC需要外接上拉电阻

I2C总线的设计是开漏（open-drain）或开集（open-collector）输出，这意味着连接到总线的设备能够将总线拉低到地（GND），但是不能将总线推高至电源电压（Vcc）。

上拉电阻的作用主要包括以下几点：

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。

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。

防止总线冲突： 

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。上拉电阻确保了在这种情况下不会出现短路。

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。