IIC协议简介

IIC通讯协议(Inter----Integrted Circuit)是由Phiips飞利浦公司开发的，由于他引脚少，硬件实现简单，可拓展性强，不需要UASRT,CAN通讯协议的外部收发设备，现在被广泛使用在系统内多个集成电路IC（芯片）间的通讯。

半双工的通讯方式

IIC总线系统结构

他是一个支持多设备的总线。”总线”指多个设备共用的信号线，在一个IIC通讯总线中，可连接多个IIC通讯设备，支持多个通讯主机(单片机)及多个通讯从机(连接IIC总线的外围设备)。

一个IIC总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备直接的访问。

IIC总线物理层特点

总线通过上拉电阻接到电源。当IIC设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态，由上拉电阻把总线拉成高电平。

多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定哪个设备占用总线。

仲裁方式:简单理解就优先级

具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4M/s，但目前大多IIC设备尚不支持高速模式。

IIC总线

硬件IIC：对应芯片上的IIC外设，有相对应的IIC驱动电路，其所使用的IIC管教也是专用的；
软件IIC：一般是用GPIO管教，用软件控制管脚状态以及模拟IIC通信波形；

区别：硬件IIC的效率要远高于软件的，而软件IIC不受引脚限制，接口比较灵活。

软件IIC是通过GPIO，软件模拟寄存器的工作方式，而硬件IIC是直接调用内部寄存器进行配置。如果要从具体硬件上来看，可以去看下芯片手册。因为固件IIC的端口是固定的，所以会有所区别。

如何区分？
1.硬件IIC用法复杂，模拟IIC流程更加清楚
2.硬件IIC速度比模拟快，并且可以用DMA
3.模拟IIC可以在任何管脚上，硬件IIC在固定管脚上

IIC总线协议层

IIC的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

IIC基本读写过程

白底加斜线主机，纯白从机

主机写数据到从机

S：数据由主机传输至从机
P：数据传输结束
SLAVE ADDRESS : 从机地址

起始信号产生后，所有从机就开始紧接下来广播的从机地址信号。IIC总线，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备的地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备讲会忽略之后的数据信号。根据IIC协议，这个从机地址可以是7位或10位。

R/W：地址位之后，传输方向选择位，为0：表示数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。为1：则相反。从机接收传输方向选择位后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答

A/A：(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

主机读数据到从机

读数据：
配置方向传输位为”读数据”方向。广播完地址后，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为8位，从机每发送完一个数，都会等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程，可以返回N个数据，N没有限制大小。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NCAK)，则从机自动停止数据传输。

通讯复合格式

复合格式，该传输过程有两次起始信号(S),在第一次传输过程中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段”数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址；第二次传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

IIC通信

空闲状态

IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定位总线的空闲状态。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。

开始信号

起始信号：当SCL为高电平期间，SDA有高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

停止信号

停止信号：当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种高电平跳变时序信号，而不是一个电平信号

起始信号和停止信号一般由主机产生

应答信号

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应答位)表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位(NACK)，一般表示接收器接收该字节没有成功。

对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第九个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。

数据的有效性

IIC总线进行数据传输时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定

数据传输

在IIC总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应(或同步控制)，即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

STM32的IIC特性及架构

①软件模拟协议：使用CPU直接控制通讯引脚的电平，产生出符合通讯协议标准的逻辑。

②硬件实现协议：由STM32的IIC片上外设专门负责实现IIC通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理IIC协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

STM32的IIC外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s和400Kbits/s的速率，支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。

通讯引脚

STM32芯片有多个IIC外设，它们的IIC通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置这些指定的引脚。

时钟控制逻辑

SCL线的时钟信号，由IIC接口根据时钟控制寄存器（CCR）控制，控制的参数主要位时钟频率。

可选择IIC通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别对应100/400Kbits/s的通讯速率。

在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选T(low)/T(high) = 2或T(low)/T(high)=16/9模式。

CCR寄存器中12位的配置因子CCR，它与IIC外设的输入时钟源共用作用，产生SCL时钟。STM32的IIC外设输入时钟源位PCKL1

计算时钟频率
标准模式
T high = CCR T pckl1 T low= CCRTpclk1
快速模式中 THigh/Tlow =2时：
T high = CCRTpckl1 T low = 2lowTpckl1
快速模式中 THigh/Tlow =16/9时：
T high = 9CCRTpckl1 T low = 16low*Tpckl1

PCLK1 = 36MHz,想要配置400Kbits/s 方法：
PCLK时钟周期： TPCLK1 = 1/36 000 000
目标SCL时钟周期： TSCL = 1/400 000
SCL时钟周期内的高电平时间： Thigh = TSCL/3
SCL时钟周期内的低电平时间： Tlow = 2*TSCL/3
计算CCR的值 ： CCR = THIGH/TPCLK1 = 30
计算出来的值写入到寄存器即可

数据控制逻辑

IIC的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。

当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去。

那这一位一位的发送是低位先行还是高位先行？
答：由SMBA控制，一般来说都是高位先行

当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到”数据寄存器”中。

整体控制逻辑

四个小标题分别对应前面的图四个部分

STM32的IIC的通讯过程

使用IIC外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对”状态寄存器(SR1和SR2)”的不同数据位写入参数，通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器

控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件”EV5”,并会对SR1寄存器的 SB 位置1，表示起始信号已经发生。

发生设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生时间 EV6 及 EV8 ，这时SR1寄存器的 ADDR位及 TXE位被置1，ADDR位1 表示地址已经发送，TEX表示数据寄存器为空。

主发送器通讯过程
往IIC的数据寄存器DR写入要发送的数据，这时TXE位会被重置0，表示数据寄存器非空，IIC外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生EV8事件，即TXE被置1，重复这个过程，可发送多个字节。

发送数据完成后，控制IIC设备产生一个停止信号P，这个时候产生EV2事件，SR1的TEX位及BTF位被置1，表示通讯结束。

STM32的IIC结构体

typedef struct
{
  uint32_t I2C_ClockSpeed;     //设置SCL时钟频率，此值要低于400 000                                              
  uint16_t I2C_Mode;             //指定工作模式，可选IIC模式及SMBUS模式
  uint16_t I2C_DutyCycle;       //时钟占空比，可选low/high = 2:0或16：9
  uint16_t I2C_OwnAddress1;  //自身的IIC设备地址   
  uint16_t I2C_Ack;                //使能或者关闭响应，一般是使能
  uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; //指定地址长度，可为7或10
}I2C_InitTypeDef;

I2C_ClockSpeed

设置IIC的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到IIC的时钟控制寄存器CCR。而我们写入的这个参数值不得高于400Khz.

实际上由于CCR寄存器不能写入小数类型的时钟因子，影响到SCL的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯会稍微慢点以外，不会对IIC的标准通讯造成其他影响。

I2C_Mode

选择IIC的使用方式，有IIC模式（IIC_Mode_IIC）和SMBus主、从模式(IIC_Mode_SMBusHost、IIC_Mode_SMBusDevice)

IIC不需要在此处区分主从模式，直接设置IIC_Mode_IICj即可

I2C_DutyCycle

设置IIC的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为2：1(IIC_DutyCycle_2)和16：9（IIC_DutyCycle_16_9）.

其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以了。

I2C_OwnAddress1

配置STM32的IIC设备自己的地址，每个连接到IIC总线上的设备都有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可以设置为7位或10位（受下面IIC_AcknowledgeAddress成员决定），只要该地址是IIC总线上唯一的即可。

STM32的IIC外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构体成员IIC_OwnAddress1配置的是默认的，OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2,可使用
IIC_OwmAddress2Conig函数来配置，OAR2不支持10位地址。

I2C_Ack

配置IIC应答是否使能，设置位使能则可以发送响应信号，一般配置位允许应答(IIC_Ack_Enable),这是绝大多数遵循IIC标准的设备的通讯要求，改为禁止应答（IIC_Ack_Disable）往往会导致通讯错误。

I2C_AcknowledgedAddress

选择IIC的寻址模式是7位或者是10位地址，这需要根据实际连接到IIC总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到IIC_OwnAddress成员，只有这里设置成10位模式时，IIC_OwnAddress1才支持10位地址1

配置完这些结构体成员的值，调用库函数IIC_Init就可以把结构体的配置写入到对应的寄存器中了。

IIC 简单理解

IIC只有只有两根线，一条数据线SDA，一条数据线SCL，那么就会造成我发数据的时候就不能接收数据也就是半双工通信。

IIC不像SPI没有片选信号线，那么他是怎么选择器件的？
通过器件地址选择

1. 开始一个起始信号代表我要给这个从机发送消息了
2. 我要给从机发送信息，那么肯定要知道从机的地址
3. 我找到这个从机了，数据一般是存放在寄存器里面，那么我就需要寄存器的地址
4. 找到了这个寄存器，我就开始写数据
5. 我写完数据，他有没有收到呢？就需要一个应答信号判断
6. 如果应答了发送一个停止信号