IIC协议详解

1 IIC简介

  IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 NXP（原 PHILIPS）公司开发的两线式串行总线， 用于连接微控制器及其外围设备。多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合 使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。
   在 CPU 与被控 IC 之间、IC 与 IC 之间进行双向传送，高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
  PS： 这里要注意 IIC 是为了与低速设备通信而发明的，所以 IIC 的传输速率比不上 SPI。

             图1 IIC总线物理拓扑图

2 IIC物理层

2.1 IIC硬件

  IIC有两条总线，一条双向的串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。
  SDA(Serial data)：串行数据线，用来传送数据；
  SCL(Serial clock line)：时钟线，用来控制数据发送的时序。
  所有接到IIC总线上的设备的SDA线都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL都接到总线的SCL上。IIC总线上的每一个设备都有一个唯一的地址，以确保不同设备之间的访问互不干扰。

2.2 IIC协议特点

• IIC主设备（master）：主要产生时钟，产生起始和结束信号；
• IIC从设备（slave）：可编程的IIC地址检测，停止位检测等;
• 支持不同的通信速率（100KHz~400KHz）;
• SCL和SDA都需要接上拉电阻 (大小由速度和容性负载决定一般在3.3K-10K之间) 保证数据的稳定性，减少干扰；
• IIC是半双工，而不是全双工，同一时间只可以单向通信。

物理层小结：
  I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，SCL和SDA被上拉电阻Rp拉高，使SDA和SCL线都保持高电平。
  I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，SPI和uart通信为全双工。

3 IIC协议层

• 开始信号(Start)： SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，标志着开始传输数据；

• 结束信号(Stop)： SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，标志着结束传输数据；
  
            图2 Start和Stop信号

• 应答信号（ACK/NACK)： 所有地址和数据都以8bit为单位传输，如果接受端正确接收了8bit数据，则回复一个bit的“0”信号——ACK信号，如果未正确接收8bit数据，或者接收端不再接受数据，则回复一个bit的“1”信号——NACK信号。即每8bit数据，就会跟1bit ACK/NACK信号。
  
                   图3 ACK信号

• 数据有效性： IIC信号在传输过程中，当SCL为高电平（SCL=1）时，数据线SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变。只有当SCL处于低电平期间，SDA的高、低电平才可以交替变化。也就是说发送数据时，bit数据“0”和“1”的交替是发生在SCL的低电平期间。
  

                    图4 IIC bit有效性

4数据传输

4.1 IIC写数据

                图5 IIC 写（发送）数据格式

字段解析：
  Start： 数据传输的开始信号，由主机产生；
  Device address： 标识从设备的地址，bit7~bit1;
  R/W： W(write)为主机向从机写数据，R(read)为主机向从机读数据，bit0；
  ACK： 主机读数据时，从机做接收，由从机产生ACK信号；
  Word Address： Slave设备内部的数据地址，即主机要往从机的这个地址写数据，上图中Word Address只体现了一个字节，实际上可以有多个字节。如访问8K bytes的 eeprom，就需要2个字节的Word Address来寻址；
  Data： 发送的数据，以字节为单位，每8bit数据，从设备回一个ACK信号；
  Stop： 数据传输的结束信号，由主机产生。

主机向从机写（发送）数据流程：
  1.主机首先产生START信号；
  2.然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)，
   0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)；
  3.主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，
    主机则认为自己正在被主机寻址，根据R/W位将自己确定为发送器和接收器;
   (注：不要把发送器/接收器同主设备/从设备混淆，当主设备向从设备写数据的时候，主设备做发送器，
   从设备做接收器；当主设备向从设备读数据的时候，主设备做接收器，从设备做发射器)
  4.这时候主机等待从机的应答信号(ACK)；
  5.当主机收到应答信号时，发送要访问从机的哪个地址， 继续等待从机的应答信号；
  6.当主机收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号;
  7.主机产生停止信号，结束传送过程。

4.2 IIC读数据

                图6 IIC 读（接收）数据格式

字段解析：
  Start： 数据传输的开始信号，由主机产生；
  Device address： 标识从设备的地址，bit7~bit1;
  R/W： W(write)为主机向从机写数据，R(read)为主机向从机读数据，bit0；
  ACK： 正式接收数据后的ACK信号由主机产生。Data传输前的ACK信号由从机产生，因为Data传输前都是
     主机在给从机“写”数据；
  Word Address： Slave设备内部的数据地址，即主机要往从机的这个地址读数据，上图中Word Address只体现了一个字节，实际上可以有多个字节。如访问8K bytes的 eeprom，就需要2个字节的Word Address来寻址；
  RS： restart信号，表现形式和start信号完全一样。只是在读的过程中，再次触发了一次start信号，所以我们称之为restart；
  Data： 接收的数据，以字节为单位，每8bit数据，主设备（接收器）回一个ACK信号；
  NACK： 当主机读完指定长度的数据时，会在最后一个byte接收完成后，产生一个NACK信号；
  Stop： 数据传输的结束信号，由主机产生。

主机向从机读（接收）数据流程：
  主机向从机读数据实际上分了两个步骤，一是把需要希望从从机的哪个地址（Word Address）读数据，通过“写”（W）的方式告诉从机；然后再次发送读（R）信号，这时从机才开始给主机发送信号。
1.主机首先产生START信号；
2.然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的R/W位为0，表明是向从机写命令，
 通知从机，主机要读的地址；
3.这时候主机等待从机的应答信号(ACK)；
4.当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号；
5.当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变
 为发送)所以主机重新发送一个开始start信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的R/W位为1，表明将
 主机设置成接收模式开始读取数据；
6.这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收n个字节的数据，
当接收完成后，主机发送非应答信号（NACK），表示不再接收数据；
7.主机进而产生停止信号，结束传送过程。

5 信号分析

通过使用iic读写eeprom用逻辑分析仪抓信号并分析。
1. iic写数据
  通过iic往eeprom的0x0100地址写两个字节的数据，数据为“0x66 0x55”.使用的是16K byte的eeprom，字节的寻址范围为：0~0x3fff，所以word address有两个字节。

                 图7 iic读数据信号抓包

  下图为eeprom厂家的datasheet里面提供的 “Device address”说明，eeprom厂家规定读写数据区域的地址bit7~ bit4为1010，可配置bit为bit3~bit1，也就是说一个iic总线上最多可挂8个eeprom。
注：bit7~bit4的特殊约定，只是eeprom厂家做的功能限制，并不是iic协议的限制。

                  图8 eeprom地址表

我们把图7中的数据包放大来看，如下图：

                图9 Device address & R/W字节分析

  从上图中可以清楚的看到，SDA的数据信号在SCL的高电平脉冲期间保持稳定，在SCL的低电平脉冲期间进行bit数据“0”和“1”的切换。

2、iic读数据
  通过iic从eeprom的0x0100地址读取两个字节。

                图10 iic读数据信号抓包

  从上图中，可以看到iic读过程一共发起了两个start信号，第一个start信号（图中第1个绿色圆点处），SDA上发送了Device address & Write字节以及word address, 第二个start信号（图中第2个绿色圆点处），发送了Device address & Read字节，然后就开始接收数据。