干货 | 终于将 IIC 通信协议弄明白了！

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;
}