I2C通信时序

前言：

I2C作为众多通信时序中脱颖而出的最常见的通信时序，但是学习起来也是非常难解，并且时不时要回去复习，发这篇博客，我想把I2C给讲明白了，并且也是记录自己对于I2C的学习。

I2C介绍：

I2C(IIC,Inter－Integrated Circuit),两线式串行总线,由PHILIPS公司开发用于连接微控制器及其外围设备。

它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。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。

IIC是同步半双工通信方式,有应答机制，可实现一对多，多对多通信。

SDA：数据线，用于传输数据，可从主机到从机，也可以从机到主机，但是同一时刻只能有一个方向传输，所以I2C是半双工通信，

SCL：时钟线，只能由主机发送，用于数据同步，一个脉冲下发送/接收一位数据。

硬件电路：

线的连接：I2C通信要求主机从机的SCL和SDA数据线都连在一起。

电路分析：

假设我们去掉SCL和SDA外接的上拉电阻，先对SCL配置，因为我们是一主多从模式，不需要多主机，所以SCL单独由主机控制，就可以配置成推挽输出模式，可输出高低电平。

SDA呢，因为是半双工，SDA可以主机到从机，也可以从机到主机，假如当主从机同时输出电平时，并且还是输出不一样的电平时，SDA就造成了短路，这是我们不愿意见到的，所以，I2C就把

SDA和SCL都配置成了开漏输出并且外接了两个上拉电阻到SDA和SCL。

继续对右边的电路进行分析，这里SCL和SDA的电路都是一样的，我们就取一个分析。

SCL：当SCL输入时，会经过一个施密特触发器或者数据缓冲器，这个输入没问题，输出的时候，因为电路是开漏输出，输出低电平时，电路导通，直接接地，强下拉，引脚直接输出低电平，输出高电平时，电路不导通，直接断开，引脚为浮空状态，这时候因为SCL和SDA都外接了一个弱上拉电阻，所以会输出高电平。

硬件电路设计好处：

SCL和SDA这样配置就好像一根杆子，外接了一个弱弹簧，有人往下拉就输出低电平，没人往下拉就输出高电平，并且当多个设备拽杆子时，也只会输出低电平，杜绝了短路的情况，并且只有当所有设备当输出高电平时，才会输出高电平，（因为输出高电平时引脚是浮空状态，高电平是弱上拉电阻提供，电平并不会太高）

I2C通信时序基本单元：

空闲状态：

I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

起始、终止信号：

起始条件是：当SCL处于高电平状态时，SDA由高电平切换到低电平，即拉一下杆子。

终止条件时：当SCL处于高电平状态时，SDA由低电平到高电平变化，即放手杆子。

这样子，所有从机就都会收到主机发出的起始信号。

发送一个字节：

当SCL低电平期间，主机会把要发送的数据放到SDA上，并且是高位先行，然后就会释放SCL，给到从机一个上升沿信号，从机在收到上升沿信号后，会在高电平期间把SDA上的电平信号进行读取，并且在SCL高电平期间，不允许SDA由数据变化，不然就是会变成起始终止信号了。

接受一个字节：

当SCL低电平期间，从机把数据的每一个位依次放到SDA线上，并且是高位先发，然后主机会释放SCL，SCL回到高电平，主机会在SCL高电平期间把SDA上的数据进行读取，并且SCL高电平期间，不允许SDA有数据变化，因为如果有数据变化，就变成起始终止信号了，主机在接收之前需要先释放SDA，不然从机无法用SDA发送数据。

发送接收字节总结：

SCL为低电平期间，SDA进行数据变更，即发出数据位，不过当主机发送数据时，由主机操控SDA发送数据位，当从机发送数据时，由从机操控SDA发送数据位，当SCL位高电平期间，主机或者从机进行SDA数据位的读取。

应答信号ACK：

发送应答和接收应答都是相对于主机而言，所以当主机是在接收数据时，主机接收完一个字节数据时，即八位数据后，要在下一个SCL时钟信号，发送一个应答位给从机表示应答。

在SCL为低电平时，拉低SDA，表示应答，从机在SCL为高电平时，读取应答位，SDA为低电平表示主机应答，相反则为不应答。

当主机发送数据时，发送完一个字节数据后，即八位数据后，要在下一个SCL时钟信号，接收一个应答信号，判断从机是否应答，主机拉低SCL，从机在SCL低电平期间，拉低SDA，表示应答，主机拉高SCL，主机在SCL高电平期间读取SDA应答位数据，低电平表示从机应答，相反为非应答。

总结：

（1）每发送（主机与从机都适用）一个字节，则会（主机与从机都适用）接受一个应答信号（信号其实就是一位数据）；每接收（主机与从机都适用）一个字节，则会（主机与从机都适用）发送一位应答信号（信号其实就是一位数据）；

（2）规定低电平为有效应答，表示成功接受字节；规定高电平为无效应答，表示没有成功接受字节。

（3）假设主机接受数据，如果不想再接受，则发送一个无效应答（非应答）来通知从机不要再进行传输数据。

I2C通信时序：

设备地址：

在I2C中，因为是一主多从模式，所以如何区别不同从机并指定从机进行读写就成了一个问题。

I2C中，设备地址就相当于从机的名字，每个设备地址都是唯一的，主机会在通信前先叫一下指定的从机名字，即指定一下从机的设备地址，并且点名每个从机都会收到，从机会判断自己的设备地址是否被主机，如果被点名，就响应主机之后的读写操作，如果没被点名，主机之后的读写时序，就不关该从机事情了。

所以，在I2C中，每个从机设备在出厂时都会自带一个设备地址，用于来区分挂载在同一I2C总线上时，设备地址可以在设备手册中找到，I2C有7位地址和12位地址模式，这里我们用7位地址模式，因为7位地址模式最为常见。

那还有一个问题，如果是同样的设备芯片接到I2C总线呢，在设备中会有另外的引脚来改变设备地址，一般设备高位数据地址是出厂固定的，低位数据引出引脚外接来决定设备地址，如图：

指定地址写：

指定地址写对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

当SCL为高电平时，SDA由高到低，产生一个下降沿信号，表示起始信号。

主机发送一个字节数据，前七位代表点名的从机设备地址，最后一位代表主机要进行读还是写操作，0代表主机写数据到从机操作，1代表主机读从机数据操作。

接着主机接收一个应答信号，来表示从机的应答

接着第二个字节发送数据信息具体看设备信息，一般第二个字节是寄存器地址或者控制字指令，如MPU6050第二个字节就是寄存器地址，AD转换器第二个字节就是指令控制字，这里我们以从机寄存器地址来表示。

接着主机接受一个应答信号，来表示从机的应答。

第三个字节表示要写入从机设备寄存器地址的字节数据，发送八位后，主机再接收一个应答信号。

最后，如果主机不想再发送数据了，就发送一个停止信号，终止指定地址写。

如果需要写入多个字节数据，同理，连续发八位数据后，接受一位应答信号，最后不想写了就发送一个停止信号。

指定地址读：

指定地址读对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

指定地址读为复合格式数据帧：起始信号+前两位字节为（指定设备地址7位+写位1）+（设备寄存器地址）+重复起始信号+（指定从机设备地址7位+读位0）

软件模拟I2C：

这里，我们用一个STM32F407和一个AT24C02来模拟实现I2C：

I2C.c

#include "iic.h"/****************************************
引脚说明
SCL -- PB8
SDA -- PB9*****************************************/void Iic_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;//打开GPIOB组时钟 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_8;		//引脚8GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_OUT;				//输出模式GPIO_InitStruct.GPIO_OType	= GPIO_OType_OD;				//开漏输出GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd	= GPIO_PuPd_UP;					//上拉GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;				//速度GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);	//空闲状态SCL = 1;SDA_OUT = 1;
}//数据引脚模式
void Iic_Sda_Mode(GPIOMode_TypeDef mode)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_9;		//引脚8GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= mode;							//输出模式GPIO_InitStruct.GPIO_OType	= GPIO_OType_OD;				//开漏输出GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd	= GPIO_PuPd_UP;					//上拉GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;				//速度GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);	
}//启动信号
void Iic_Start(void)
{//数据线设置为输出Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_OUT);//空闲状态SCL = 1;SDA_OUT = 1;delay_us(5);SDA_OUT = 0;delay_us(5);SCL = 0;}//停止信号
void Iic_Stop(void)
{//数据线设置为输出Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_OUT);SCL = 0;SDA_OUT = 0;delay_us(5);SCL = 1;delay_us(5);SDA_OUT = 1;
}
//发送一位数据
void Iic_Send_Ack(u8 ack)
{//数据线设置为输出Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_OUT);//SCL为低电平区间，允许电平变化SCL = 0;if(ack == 1){SDA_OUT = 1; //引脚为高电平}if(ack == 0){SDA_OUT = 0;//引脚为低电平}	delay_us(5);SCL = 1;delay_us(5);SCL = 0;}
void Iic_Send_Byte(u8 tx_data)
{u8 i;//假设数据rx_data：1 0 1 0 0 1 1 0//数据线设置为输出Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_OUT);SCL = 0;for(i=0; i<8; i++){//数据准备，一位一位发送 先发高位if(tx_data & (0x01<<(7-i))){SDA_OUT = 1;}else{SDA_OUT = 0;}delay_us(5);SCL = 1;delay_us(5);SCL = 0;	}}
//接收一位数据
u8 Iic_Recv_Ack(void)
{u8 ack = 0;Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_IN);SCL = 0;delay_us(5);//高电平区间获取数据SCL = 1;delay_us(5);//收一位数据if(SDA_IN == 1){ack = 1;}if(SDA_IN == 0){ack = 0;}	SCL = 0;return ack;
}
//接收一个字节
u8 Iic_Recv_Byte(void)
{u8 i, rx_data = 0x00;Iic_Sda_Mode(GPIO_Mode_IN);SCL = 0;for(i=0; i<8; i++){delay_us(5);SCL = 1;delay_us(5);//数据合成 if(SDA_IN == 1){rx_data |= (0x01<<(7-i));}SCL = 0;	}return rx_data;
}//u8 addr:写数据的起始地址
void At24c02_Write_Page(u8 addr, u8 *write_buff, u8 len)
{u8 ack = 0;//发送启动信号Iic_Start();//发送设备地址，执行写操作Iic_Send_Byte(0xA0);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 1\r\n");return;}//发送写数据起始地址Iic_Send_Byte(addr);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 2\r\n");return;}	while(len--){//写数据Iic_Send_Byte(*write_buff);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 3\r\n");return;}			write_buff++;}//停止信号Iic_Stop();return;
}//写数据从页头开始写
void At24c02_Write_Data(u8 addr, u8 *write_buff, u8 len)
{u8 page, len_byte;page = len/8;len_byte = len%8;while(page--){At24c02_Write_Page(addr, write_buff, 8); //写一页addr = addr+0x8;  //移动到下一页write_buff = write_buff+8;delay_ms(5);}//加延时，跨页写数据无延时会失败delay_ms(5);//写入不满一页的数据if(len_byte > 0)At24c02_Write_Page(addr, write_buff, len_byte); }void At24c02_Read_Data(u8 addr, u8 *read_buff, u8 len)
{u8 ack = 0;//发送启动信号Iic_Start();//发送设备地址，执行写操作Iic_Send_Byte(0xA0);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 1\r\n");return;}//发送读数据起始地址Iic_Send_Byte(addr);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 2\r\n");return;}		//发送启动信号Iic_Start();	//发送设备地址，执行读操作Iic_Send_Byte(0xA1);//判断应答信号ack = Iic_Recv_Ack();if(ack == 1){printf("ack fail 1\r\n");return;}	while(len--) //{*read_buff = Iic_Recv_Byte();if(len > 0)Iic_Send_Ack(0);read_buff++;}//发送非应答信号，结果接收数据Iic_Send_Ack(1);//停止信号Iic_Stop();	}

I2C.h：

#ifndef __IIC_H
#define __IIC_H#include "stm32f4xx.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"
/*******************************
引脚说明
SCL -- PB8
SDA -- PB9
********************************/#define SCL  	PBout(8)
#define SDA_IN	PBin(9)
#define SDA_OUT	PBout(9)void Iic_Init(void);
void At24c02_Write_Page(u8 addr, u8 *write_buff, u8 len);
void At24c02_Write_Data(u8 addr, u8 *write_buff, u8 len);
void At24c02_Read_Data(u8 addr, u8 *read_buff, u8 len);#endif

main.c:

#include "stm32f4xx.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "exti.h"
#include "delay.h"
#include "tim.h"
#include "pwm.h"
#include "usart.h"
#include "sr04.h"
#include "iwdg.h"
#include "rtc.h"
#include "adc.h"
#include "flash.h"
#include "iic.h"u8 g_flag = 0;  //g_flag = 1表示接受到数据u8 g_data = 0;void delay(int n)
{int i, j;for(i=0; i<n; i++)for(j=0; j<30000; j++);
}void USART1_IRQHandler(void)
{//判断接受标志位是否置1if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//接受数据g_data = USART_ReceiveData(USART1);g_flag = 1;  //表示接受到数据}}int main(void)
{u8 write_buff[12] = "helloworld";u8 read_buff[12] = {0};//设置NVIC分组（一个项目只能配置一次）//抢占优先级取值范围:0~3  响应优先级取值范围:0~3NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);Delay_Init();Led_Init();Usart1_Init(115200);Iic_Init();//At24c02_Write_Page(0x00, write_buff, 10);At24c02_Write_Data(0x00, write_buff, 10);delay_ms(50);At24c02_Read_Data(0x00, read_buff, 10);printf("read_buff:%s\r\n", read_buff);while(1){delay_s(1);}return 0;
}