【嵌入式基础小知识】简单聊聊 IIC 总线
时间：2022-11-10 20:30:00
早上醒来，好好着充分的生活。最近，我只注意了这件事。现在我不撒谎了，我的阅读逐渐不是为了虚荣和算计。过去，我总是依赖明天，敷衍现在，但现在我不会了。只是日复一日，非常珍惜生活。
太宰治 – 小说灯笼
一、概述
IIC-BUS，是 Inter-Integrated Circuit Bus 缩写，顾名思义，简单方便地连接各种外设芯片，一种双向二线同步串行总线。
二、基本特征
基本特征如下：
- 串行（只有一根数据线，只能一位一位 bit 发送和接收)
- 同步(双方使用共同时钟线:时钟由主机提供，无论是接收还是发送数据)
- 单端(不同于差分信号，数据线使用绝对电平作为 0 或者 1 的区分）
- 双向(半双工，只能同时接收或发送)
- 主从（Master/Slave，主机只能发起通信请求，从机只能响应)
- 总线（Bus，一个通信链路可以连接多个设备)
三、电路连接与配置
一般电路连接如下：
右图显示，设备间连接至少需要三条线：SDA(串行数据线)，SCL和 GND(地)。
需要注意的是，无论是主机还是从机 SDA 和 SCL 引脚需要配置成 漏极开路（OD：Open drain，存在于MOS管中）或者 集电极开路（Open Collector，三极管中存在的形式：
这个特征需要我们在嵌入式系统中使用 IIC 需要考虑两点：
- 在硬件设计中，两条信号线都需要增加上拉电阻
- 在软件设计中，单片机
GPIO端口应配备漏极开路（OD：Open drain）模式，效果是：导线会将总线电压降低到地面，不导线是高电阻状态，相当于超大电阻，相当于大分压，不影响信号线的电平）
这种电路设计实际上是为了实现 线与 功能，线与的意思就是 逻辑与，这里对应的电路是：所有设备都不会降低，只要有设备降低，总线就会降低。
四、优点
- 只需要两条信号线(节省) PCB 板面积、引脚、成本等都是钱。
- 协议很简单(当然是相对的
USB、以太网等协议) - 协议容易实现(硬件电路简单)
- 支持多个设备(硬件)
IIC功能现在是单片机的标准配置，当然些低端的 8 可能没有单片机，但也可以使用 GPIO 模拟实现） 。 - 总线可同时吊装多个器件 (这就是总线的优势)
- 总线电气兼容性好(常用) 5V、3.3V都支持，看你选择哪个拉电阻)
- 速率较高(
100kbps ~ 400kbps ~3.4Mbps，其实这个速率只能算一般。 - 距离远(几米，降低速率~十几米，但一般都是比较近的使用场景，为了保证信号的准确性，远距离会选择信号线)
五、I2C 总线的电平逻辑
I2C 电平有效（SPI 也就是说，在传输数据的过程中，在 SCL 在低电平时，数据线 SDA 在 SCL高电平时，SDA 电平保持不变(此时电平为通信数据位)。
当然，也有特殊情况 I2C 当总线开始和结束数据传输时，SDA 在 SCL 对于高时变化，这正好可以区分是传输数据还是开始结束信号。
5.1.开始和结束信号
如图所示，
- 起始位：
当SCL在高电平时，SDA从高电平跳到低电平跳，产生起始位。 起始条件产生后，总线很忙(Busy)状态。起始位可以简记为S。 - 停止位：
当SCL在高电平时，SDA从低电平跳到高电平，产生停止位置。 停止条件发生后，总线处于空虚状态。停止位置可以简记为P。
5.2.通信数据帧
灰色方块表示主机控制 SDA 数据线发送数据，白色方块表示从机控制 SDA 向主机响应或响应数据线。
SA（Slave Address） 对于机器地址，主机不需要地址，但机器必须有一个地址，因为当总线连接到多个设备时，需要区分地址。同时，设备只响应自己地址的通信，总线的机器地址为 7 bits，即只能连接 128 从机设备。（值得说明的是，大多数 I2C 从机设备将这7位固定在几位，具有减少设备引脚数的优点。这取决于手册的说明）
5.3、高阶知识
重复起始(Repeated Start)
上图中的 Sr 为重复起始 (Repeated Start）
I2C 在通信中，有时需要切换数据收发的方向，如 I2C 设备是个EEPROM 读取存储器时 EEEPROM ，地址(主->从)，然后读取数据(从)->主）， 此时不需要给出停止位，然后给出开始位，而是直接产生开始位，称为重复开始位，记录为 Sr。这样做的好处是提高了通信效率。
I2C 从设备子地址
我们知道，有一些 I2C 除了设备本身，除了设备本身 I2C 地址SA此外，还有几个单元可以访问，相应的子地址(寄存器)，
典型的是 EEPROM 存储器等，子地址可以是 1字节~N字节，主机可以发送数据来控制子地址。让我们讨论两种情况：从设备的寄存器中写入数据和从设备的某些寄存器中读取值。
如下图所示，
主机先从机发送 IIC 地址和标记，然后跟随寄存器的地址，然后发送寄存器的数据，完成指定寄存器的写入操作。
如下图所示，
主机从机发送 IIC 地址和标记，然后发送要读取的寄存器的地址值，然后启动重启读取操作，从设备响应数据，完成从设备的寄存器值读取操作。
(值得注意的是，为什么要一次启动？ Sr 重启操作怎么样？因为通信只能有一个方向，读或写，如果你想改变方向，你必须重新开始）
六、参考资料
- 《IIC 协议官方标准》https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf
- 《IIC通信协议总结:https://blog.csdn.net/zhanghuaichao/article/details/48266309
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