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IIC，是一种流行的串行通信协议，在嵌入式系统中被不同的传感器和模块广泛使用。

IIC总线是一种同步、串行、半双工通信总线，由两根通信线组成，SDA用于数据传输，SCL用于时钟传输。

总线是传输数据通道，而协议就是传输数据的规则。

① 总线支持挂载多设备（一主多从、多主多从）
② 所有IIC设备的SCL连在一起，SDA连在一起
③ SCL和SDA配置成开漏输出模式，并外部接上拉电阻，确保总线空闲状态为高电平
④ 总线上从机设备都会有一个唯一的地址
⑤ 数据传输速率：标准模式100k bit/s 快速模式400k bit/s 高速模式3.4Mbit/s

为什么SCL和SDA要设置成开漏输出模式？

开漏输出主要是为了保护器件和防止干扰。

多器件共享同一条数据线和时钟线，采用推挽输出模式，若不合理安排，多个器件输出叠加在数据线上，造成信号干扰，严重时损坏器件或通信错误。

而采用开漏输出模式时，则各个器件的输出只有拉低数据线的部分，不会干扰彼此，从而提高总线的可靠性和抗干扰能力。

IIC总线线与功能：有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平。

注意：上拉电阻的阻值通常是4.7K，通信距离也不要过长，一般限制在1~2米内。

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IIC通信协议时序 - 起始信号 & 停止信号

• SCL线的信号由主机控制

• SDA线的信号由通信双方共同参与控制

• 空闲状态：高电平

• 开始IIC通信：起始信号(S)

  • 当SCL为高电平时，SDA从高电平变为低电平

• 结束IIC通信：停止信号§

  • 当SCL为高电平时，SDA从低电平变为高电平
    

IIC通信协议时序 - 数据有效性

• 数据准备阶段：SCL为低电平期间，SDA的数据(高电平或低电平)才能改变
• 数据读取阶段：SCL为高电平期间，SDA的数据(电平状态)必须稳定

数据以字节(8bit)传输
数据先发送高位

发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上(高位先行)，然后释放SCL(高电平)，从机将在SCL高电平期间读取数据位，循环8次，即可实现主机发送一个字节。

接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上(高位先行)，然后释放SCL(高电平)，主机将在SCL高电平期间读取数据位，循环8次，即可实现主机接收一个字节。

3

IIC通信协议时序 - 应答信号

主机发送1字节数据到从机场景

主机发送完一个字节数据后，在下一个SCL时钟高电平时接收一位数据，判断从机是否应答，0表示应答，1表示非应答
注意：主机在接收前，需释放SDA

主机从从机接收1字节数据场景

主机在接收完一个字节数据后，在下一个SCL时钟高电平时发送一位数据，0表示应答，1表示非应答

数据以字节传输
数据在SCL高电平稳定
数据先发送高位

注意：释放SDA （向下的箭头）

IIC时序

时序图拆解（从左到右，按时间顺序）

• S (起始信号)：主机拉低 SDA，同时 SCL 为高电平，宣布通信开始。
• SLAVE ADDRESS (7bit)：主机发送目标从机的 7 位设备地址，相当于在总线上喊：“我要找这个地址的设备”。
• R/W (1bit)：读写标志位。图中标注了‘0’ (write)，即该位设为低电平（0），代表写操作。
• A (应答位)：主机发完地址后释放 SDA，对应的从机拉低 SDA 作为回应（ACK），表示：“我收到呼叫了”。
• DATA (第1个数据)：这是关键点！第一个数据字节，是主机发给从机的寄存器地址（Reg Address）。告诉从机：“我要操作你内部的这个位置”。
• A (应答位)：从机接收完寄存器地址后，再次拉低 SDA 回应（ACK），表示：“我找到那个寄存器了，准备好接收数据了”。
• DATA (第2个数据)：主机发送真正想要写入该寄存器的数据（Data）。
• A/(\overline{A}) (应答位)：从机接收完数据后，回应应答（ACK）。表示：“数据已安全保存”。(注：在写操作中，最后一个字节通常也是从机回复 ACK，图中的 A/(\overline{A}) 表示可能被主机或从机应答，但在标准写操作中，最后一个字节也是从机 ACK)。
• P (停止信号)：主机在 SCL 高电平期间，将 SDA 由低拉高，宣布通信结束，释放总线。

• data transferred (n bytes + acknowledge)：图中展示的是写入 1 个寄存器地址 + 1 个数据字节。实际上，如果你要连续向相邻的寄存器写入多个数据，在第一个数据（Reg Address）之后，你可以继续发送多个数据字节（Data1, Data2, Data3…），每发送一个字节，从机都会回复一个应答（ACK）。这就叫连续写（页写）。

这种读操作不需要先发送要读取的寄存器地址（Reg Address）。从机内部有一个“地址指针”，它会记住上一次被访问的寄存器位置。当你直接发起读操作时，从机会从那个指针当前指向的位置开始把数据发给你。

数据在 SDA 线上的完整传输过程：

• S (起始信号)：主机拉低 SDA，同时 SCL 为高电平，告诉所有设备“通信开始”。
• SLAVE ADDRESS (7bit)：主机发送目标从机的 7 位地址，相当于在喊“我要找那个地址为 XXX 的设备”。
• R/W (1bit)：读写位。图中标明了1，代表Read（读）。如果是0则是写。
• A (应答位)：主机发送完地址和读命令后释放 SDA，被选中的从机拉低 SDA 作为回应（ACK），表示“我在，准备好了”。
• DATA (第1个数据)：从机开始把数据放到 SDA 线上。主机在 SCL 高电平期间读取这 8 位（1字节）数据。
• A (应答位)：主机读完 1 字节后，如果还想继续读，就发出应答（ACK，通常拉低 SDA），告诉从机“收到了，继续发下一个”。
• DATA (第2个数据)：从机发送下一个字节的数据。
• (\overline{A}) (非应答位 NACK)：关键点！当主机读到最后一个字节，不想再读下去了，主机就会不拉低 SDA（保持高电平），发出非应答信号（NACK）。从机收到 NACK 后，就会知道：“哦，他读完了，我该释放 SDA 并停止发送了。”
• P (停止信号)：主机在 SCL 高电平时，将 SDA 由低拉高，表示通信结束，释放总线。

当前地址读的流程：发地址+读指令 ➔ 收数据 ➔ 回ACK继续收 ➔ 不想收了回NACK ➔ 发停止信号。

IIC（I2C）通信协议中相对复杂但最实用的一种时序：“指定地址读”（也叫随机读）。

因为 IIC 总线是半双工的，主机不能直接大喊一声“我要读你某个寄存器”就完事。它必须先“写”入要读的寄存器地址，然后再“读”出数据。这个过程需要用到**“重复起始信号（Sr）”**。

时序图拆解（从左到右）

第一阶段：假写（设定要读取的寄存器地址）

• S (起始信号)：主机拉低 SDA，开始通信。
• SLAVE ADDRESS (7bit)：主机发送从机设备地址。
• R/W：注意！这里必须是写（0）。下方的标注写着 “read or write”，但在指定地址读的第一步，这里发的一定是写指令。
• A (应答位)：从机回复 ACK，表示收到。
• DATA (指定地址)：主机发送想要读取的寄存器地址（Reg Address）。
• A/(\overline{A}) (应答位)：从机回复 ACK，表示“地址我记下了”。

中间阶段：关键转折

• Sr (重复起始信号)：这是整张图最核心的地方！主机在发送完寄存器地址后，不发停止信号，而是再次发起一个起始信号（Sr = repeated START condition）。
  • 为什么要这样？因为如果不发 Sr，直接发 P（停止信号），从机就会结束本次通信，把刚才记下的地址忘掉。发 Sr 可以在不释放总线控制权的情况下，强行切换通信方向。

第二阶段：真读（读取数据）

• SLAVE ADDRESS (7bit)：主机再次发送从机设备地址。
• R/W：这次必须是读（1）。下方的英文direction of transfer may change at this point说明了，在重复起始信号之后，数据的方向发生了改变（从写变读）。
• A (应答位)：从机回复 ACK，表示“明白，准备发数据了”。
• DATA (地址数据)：此时，从机开始把刚才那个寄存器里的数据发送给主机。
• A/(\overline{A}) (应答位)：
  • 如果主机还想读下一个字节，就给 ACK。
  • 如果主机只读 1 个字节，读完后主机给NACK（非应答 (\overline{A})），告诉从机“我读完了，别再发了”。
• P (停止信号)：主机发送停止信号，释放总线。

• Sr = repeated START condition：重复起始信号，时序上的转折点。
• (n bytes + ack.)*：表示数据可以连续读取 (n) 个字节，每读一个字节，主机要给从机一个应答（ACK）。
• direction of transfer may change at this point：在此时（Sr 之后），传输方向可能发生改变（由写变为读）。