一文速通 IIC I2C子系统驱动 通信协议原理 硬件 时序 深度剖析

本文作为一个引入，作用是让读者理解熟知IIC协议关键内容，结合实际手册内容，深度解析协议本质，作为后续嵌入式linux驱动IIC子系统的一个铺垫。

目录

1. 硬件连接

2. IIC传输时序

2.1.写操作

2.2.读操作

2.3.I2C信号

3.IIC协议细节

4.IIC协议类比 SPI、UART

1. 硬件连接

I2C在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线SCL,SDA线，在一条I2C总线上可以接很多I2C设备，我们还会放一个上拉电阻。（之前在我们的硬件篇有提到上拉电阻 还想系统性的了解上拉电阻的可以参考学习 接下来我们也会对IIC硬件中的上拉电阻进行分析）

由此我们可以得知以下信息，这些都是重点，读者需要牢牢记住。

同步、串行、半双工、多主机总线、近距离、低速、芯片与芯片之间的通信；

接口：两线制：SDA数据线、SCL时钟线 成本低

可以挂载多设备、主机是使用总线权利者、从机只可以听取从机、被主机管理；

 我们接下来就是分析下上拉电阻的问题了。

我们知道由于芯片在输出高低电平的时候，内部通常会有两个mos管（针对mos管的知识在硬件篇也有系统的讲 不懂的读者也可以回顾学习），上面的MOS管导通输出高电平，下方的MOS管导通输出低电平。

因此我们熟知IIC是需要多设备通信，假设我们把两个IO口都挂在到一个总线上，很简单的可以发现当一个芯片输出高电平，一个芯片输出低电平，此时就短路了，因此IIC对于设备的IO口做了一些阉割，去掉了上面的mos管，只保留下方的mos管，但是问题也暴露出来了，虽然解决了短路的问题，但是设备只可以输出低电平，另一种情况的电平就是未知的状态，浮空，为了避免这种情况，我们需要引入上拉电阻，这样完美了解决这个问题，同时也体现了IIC硬件设计的驱动能力。

同时我通过IIC手册对于IIC硬件设计规范图图例进行实例的调研，如下所示：

可以清楚的看出，正如我们先前总结的一样，这就是IIC的上拉电阻的作用。

2. IIC传输时序

2.1.写操作

流程如下：

• 主芯片要发出一个start信号

• 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)

• 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

• 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应

• 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

• 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

2.2.读操作

流程如下：

• 主芯片要发出一个start信号

• 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)

• 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

• 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应

• 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

• 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

2.3.I2C信号

I2C协议中数据传输的单位是字节，也就是8位。但是要用到9个时钟：前面8个时钟用来传输8数据，第9个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。

• 开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA山高电平向低电平跳变，开始传送数据。

• 结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

• 响应信号(ACK)：接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA

• SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化

I2C协议信号如下：

3.IIC协议细节

• 如何在SDA上实现双向传输？ 主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备，也可以从SDA上读取数据，连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。

• 主、从设备都可以通过SDA发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？ 在9个时钟里， 前8个时钟由主设备发送数据的话，第9个时钟就由从设备发送数据； 前8个时钟由从设备发送数据的话，第9个时钟就由主设备发送数据。

4.IIC协议类比 SPI、UART