面試遇到再不怕了：IIC協(xié)議

I2C（Inter-Integrated Circuit），有時(shí)也稱為IIC或TWI（Two-Wire Interface），是一種用于低速度串行通信的總線協(xié)議，主要用于連接微控制器與其外圍設(shè)備，如傳感器、EEPROM、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）等。I2C 由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)今的恩智浦半導(dǎo)體）在1980年代初期開發(fā)。

I2C 通信僅需兩根線：

SDA（Serial Data）：數(shù)據(jù)線，用于數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

SCL（Serial Clock）：時(shí)鐘線，用于同步信號(hào)。

I2C 協(xié)議的特點(diǎn)包括：

主從架構(gòu)：

在I2C總線上，任何設(shè)備都可以是主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備負(fù)責(zé)生成時(shí)鐘信號(hào)和控制總線，而從設(shè)備接收主設(shè)備的指令。通常，微控制器充當(dāng)主設(shè)備的角色。

支持多主設(shè)備和多從設(shè)備：

I2C 總線允許多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備共存，每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址。在多主模式下，各主設(shè)備需要通過(guò)一定的仲裁機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)對(duì)總線的訪問(wèn)。

地址和數(shù)據(jù)傳輸：

在I2C通信中，數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)發(fā)送設(shè)備地址加讀寫位開始的，隨后跟隨的是數(shù)據(jù)傳輸。如果有多個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)地址來(lái)指定與之通信的從設(shè)備。

同步：

I2C是一種同步協(xié)議，意味著數(shù)據(jù)的傳輸是由時(shí)鐘信號(hào)（SCL線）來(lái)控制的。

I2C 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低且靈活，只需兩根線就能連接多個(gè)設(shè)備。不足之處是速度相比SPI和UART較慢，且總線長(zhǎng)度有限制，隨著連接的設(shè)備數(shù)量增加，可能會(huì)影響通信速度和可靠性。

一、IIC的通信流程

啟動(dòng)信號(hào)：

通信開始時(shí)，主設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。這通過(guò)將數(shù)據(jù)線（SDA）從高電平拉低，而時(shí)鐘線（SCL）保持在高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)動(dòng)作通知所有從設(shè)備主設(shè)備即將開始通信。

發(fā)送設(shè)備地址及讀寫位：

緊接著啟動(dòng)信號(hào)，主設(shè)備發(fā)送從設(shè)備的地址以及操作位（讀/寫）到數(shù)據(jù)線上。每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址。讀寫位決定了操作是讀數(shù)據(jù)（通常設(shè)為1）還是寫數(shù)據(jù)（通常設(shè)為0）。

從設(shè)備應(yīng)答：

地址和讀寫位發(fā)送完畢后，被尋址的從設(shè)備需要通過(guò)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）來(lái)響應(yīng)。應(yīng)答信號(hào)是在數(shù)據(jù)線（SDA）上產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，同時(shí)時(shí)鐘線（SCL）為高電平。

數(shù)據(jù)傳輸：

成功建立連接和從設(shè)備應(yīng)答之后，數(shù)據(jù)可以開始傳輸。數(shù)據(jù)是按字節(jié)傳輸?shù)?，每傳輸完一個(gè)字節(jié)后，接收方（無(wú)論是主設(shè)備還是從設(shè)備）都需要發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）。

停止信號(hào)：

數(shù)據(jù)傳輸完成后，主設(shè)備發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)來(lái)終止通信。這通過(guò)將數(shù)據(jù)線（SDA）從低電平拉高，而時(shí)鐘線（SCL）保持在高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著一次I2C交流的結(jié)束。

二、發(fā)送1bit數(shù)據(jù)的流程

主設(shè)備首先確保時(shí)鐘線SCL處于高電平狀態(tài)。

然后，主設(shè)備會(huì)將要發(fā)送的比特?cái)?shù)據(jù)設(shè)置在數(shù)據(jù)線SDA上。如果發(fā)送的是‘1’比特，SDA線會(huì)被設(shè)置為高電平；如果發(fā)送的是‘0’比特，SDA線會(huì)被設(shè)置為低電平。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在SCL線的一個(gè)時(shí)鐘脈沖開始之前穩(wěn)定。

在數(shù)據(jù)線SDA穩(wěn)定后，主設(shè)備通過(guò)將時(shí)鐘線SCL從高電平拉低到低電平，來(lái)通知從設(shè)備數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)可以被讀取。從設(shè)備在SCL線為高電平的時(shí)候讀取SDA線上的數(shù)據(jù)。

完成這個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸后，主設(shè)備通常會(huì)將時(shí)鐘線SCL恢復(fù)到高電平，準(zhǔn)備發(fā)送下一個(gè)比特或產(chǎn)生一個(gè)停止條件以結(jié)束通信。

重要的是，在SCL線為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，因?yàn)槿魏卧赟CL高電平時(shí)的SDA變化都可能被視為控制信號(hào)（例如啟動(dòng)或停止條件）。

三、IIC需要外接上拉電阻

I2C總線的設(shè)計(jì)是開漏（open-drain）或開集（open-collector）輸出，這意味著連接到總線的設(shè)備能夠?qū)⒖偩€拉低到地（GND），但是不能將總線推高至電源電壓（Vcc）。

上拉電阻的作用主要包括以下幾點(diǎn)：

提供拉高電平：

設(shè)備將總線釋放時(shí)，上拉電阻將SDA和SCL線拉高到正邏輯電平（通常是Vcc），確保線路在非驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)為高電平。

限制電流：

當(dāng)總線設(shè)備將SDA或SCL線拉低時(shí)，上拉電阻起到限流的作用，防止電流過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備損壞。

防止總線沖突：

多個(gè)設(shè)備可能會(huì)同時(shí)嘗試控制總線。由于開漏設(shè)計(jì)，任何設(shè)備都可以安全地將總線拉低而不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成傷害。上拉電阻確保了在這種情況下不會(huì)出現(xiàn)短路。

增強(qiáng)信號(hào)完整性：

上拉電阻也有助于維護(hù)信號(hào)的完整性，減少因?yàn)殚L(zhǎng)線路或者其他電氣特性引起的信號(hào)退化。

選擇合適的上拉電阻值是很重要的。電阻值太大，電流太小，導(dǎo)致總線拉高速度變慢，影響通信速率；電阻值太小，可能導(dǎo)致電流過(guò)大，浪費(fèi)功率，且拉低總線時(shí)可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。通常，上拉電阻的選擇取決于總線容量（總線上設(shè)備的數(shù)量和總線長(zhǎng)度）和系統(tǒng)工作的電源電壓。常見的電阻值范圍從1.8kΩ到10kΩ不等。