什么是IIC通信协议

I2C( IIC )属于两线式串行总线，由飞利浦公司开发用于微控制器(MCU)和外围设备(从设备)进行通信的一种总线，属于 一主多从(一个主设备(Master)，多个从设备(Slave))的总线结构 ， 总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一I2C总线上的其他设备 。

物理I2C接口有两根双向线， 串行时钟线（SCL） 和 串行数据线（SDA） 组成，可用于发送和接收数据，但是通信都是由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输。

I2C主设备与从设备的一般通信过程

一. 主设备给从设备发送/写入数据：

1. 主设备发送起始（START）信号
2. 主设备发送设备地址到从设备
3. 等待从设备响应(ACK)
4. 主设备发送数据到从设备，一般发送的每个字节数据后会跟着等待接收来自从设备的响应(ACK)
5. 数据发送完毕，主设备发送停止(STOP)信号终止传输

二. 主设备从从设备接收/读取数据

1. 设备发送起始（START）信号
2. 主设备发送设备地址到从设备
3. 等待从设备响应(ACK)
4. 主设备接收来自从设备的数据，一般接收的每个字节数据后会跟着向从设备发送一个响应(ACK)
5. 一般接收到最后一个数据后会发送一个无效响应(NACK)，然后主设备发送停止(STOP)信号终止传输

注：具体通信过程需视具体时序图而定

I2C通信的实现

一. 使用I2C控制器实现

就是使用芯片上的I2C外设，也就是硬件I2C，它有相应的I2C驱动电路，有专用的IIC引脚，效率更高，写代码会相对简单， 只要调用I2C的控制函数即可 ， 不需要用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现I2C协议 ，只需要将I2C协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是如果出现问题，就只能通过示波器看波形找问题。

二. 使用GPIO通过软件模拟实现

软件模拟I2C比较重要 ， 因为软件模拟的整个流程比较清晰 ， 哪里出来bug ， 很快能找到问题 ， 模拟一遍会对I2C通信协议更加熟悉 。

如果芯片上没有IIC控制器，或者控制接口不够用了，通过使用任意IO口去模拟实现 IIC通信协议 ，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟IIC协议的时序，实现IIC的信号和数据传输， 下面会讲到根据通信协议如何用软件去模拟 。

I2C通信协议

IIC总线协议无非就是几样东西： 起始信号 、 停止信号 、 应答信号 、以及 数据有效性 。

一. 空闲状态

时钟线（SCL）和数据线（SDA）接上拉电阻 ， 默认高电平 ， 表示总线是空闲状态 。

二. 从设备地址

从设备地址用来区分总线上不同的从设备，一般发送从设备地址的时候会在最低位加上读/写信号，比如设备地址为0x50，0表示读，1表示写，则读数据就会发送0x50，写数据就会发送0x51。

三. 起始(START)信号

I2C通信的起始信号由主设备发起，SCL保持高电平，SDA由高电平跳变到低电平。

// 起始信号
void IIC_start(void)
{
    // 1.首先把数据线设置为输出模式
    // 总线空闲, SCL和SDA输出高
    SCL = 1;  
    SDA = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由高变低
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    
    // 拉低SCL开始传输数据
    SCL = 0;
}

四. 停止(STOP)信号

I2C通信的停止信号由主设备终止，SCL保持高电平，SDA由低电平跳变到高电平。

// 停止信号
void IIC_stop(void)
{
    // 1.首先把数据线设置为输出模式
    
    // 拉高时钟线
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由低变高
    SDA = 1;
}

五. 数据有效性

I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位， 时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定 ，只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为 控制命令 （START或 STOP ，也就是前面的起始信号和 停止信号 ）。

六. 应答信号(ACK：有效应答，NACK：无效应答)

接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节(8位)数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。

当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方 接收成功 ；

当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方 没有接收成功 。

发送数据需要等待接收方的应答：

// 等待ACK   1-无效    0-有效
u8 IIC_wait_ack(void)
{
    u8 ack = 0;
    
    // 数据线设置为输入
    
    // 拉高时钟线
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    // 获取数据线的电平
    if(SDA)
    {   // 无效应答
        ack = 1;
        IIC_stop();
    }
    else
    {   // 有效应答
        ack = 0;
        // 拉低SCL开始传输数据
        SCL = 0;
        delay_us(5);
    }
    
    return ack;
}

接收数据需要向发送方发送应答：

void IIC_ack(u8 ack)
{
    // 数据线设置为输出
    
    SCL = 0;
    delay_us(5);
    
    if(ack)
        SDA = 1; // 无效应答
    else
        SDA = 0; // 有效应答      
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    // 保持数据稳定
    delay_us(5);
    // 拉低SCL开始传输数据
    SCL = 0;
}