從IIC實測波形入手，去理解IIC的通信原理

玩單片機的朋友都知道IIC通信這個工具，但好多人只是會用，內(nèi)部的原理不求甚解，或是想要了解其原理，但卻對抽象的時序描述一頭霧水。本文將從實測的IIC波形入手，帶你看到真實的IIC樣子，進(jìn)而去理解IIC的通信原理。

1IIC基礎(chǔ)知識

首先復(fù)習(xí)一下IIC基礎(chǔ)知識，這部分看不懂的請先帶著疑問，然后我們通過分析IIC的真實波形，這些疑問可能就豁然開朗了~

1.1 IIC是什么

IIC（Inter Integrated Circuit，集成電路總線）是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。它是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在 CPU （單片機）與IIC模塊之間、IIC模塊與IIC模塊之間進(jìn)行雙向傳送。

IIC的一些特點：

IIC是半雙工，而不是全雙工

IIC是真正的多主機總線，（對比SPI在每次通信前都需要把主機定死，而IIC可以在通訊過程中，改變主機），如果兩個或更多的主機同時請求總線，可以通過沖突檢測和仲裁防止總線數(shù)據(jù)被破壞

起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，連接到IIC總線上的器件，若具有IIC總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號

在起始信號后必須發(fā)送一個7位從機地址+1位方向位，用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)，“1”表示主機接收數(shù)據(jù)。

每當(dāng)主機向從機發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，主機總是需要等待從機給出一個應(yīng)答信號，以確認(rèn)從機是否成功接收到了數(shù)據(jù)

起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要

注：實際使用中，一般是單片機作為主機，其它器件作為從機，單片機先向器件發(fā)送信息表示要讀取數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)變傳輸方向，器件發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機。

1.2 IIC物理連接

使用IIC通信的IIC器件有很多，比如陀螺儀加速度計MPU6050，EEPROM存儲芯片AT24C02等，通過IIC總線，可以與單片機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

IIC通信線只有只有兩根，數(shù)據(jù)線SDA的高低電平傳輸2進(jìn)制的數(shù)據(jù)，時鐘線SCL通過方波信號提供時鐘節(jié)拍

多個IIC器件可以并聯(lián)在IIC總線上，每個器件有特定的地址，分時共享IIC總線

實際使用IIC當(dāng)然還要連接電源以及共地哦

1.3 IIC時序

網(wǎng)上查找IIC的基礎(chǔ)知識，可能會搜到這樣的時序圖：

看起來好復(fù)雜的樣子，這時可能一部分人就放棄思考了。

1.3.1 IIC起始結(jié)束信號

好吧，換個簡單點的圖，你也可能會搜到這樣的圖：

這張圖看起來更簡單一些，描述了IIC的起始和停止條件：

起始：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由高到低

停止：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由低到高

注：SDA和SCL同時為高時，為IIC總線的空閑狀態(tài)

1.3.2 IIC應(yīng)答

再來看下面這張圖：

這表示IIC的應(yīng)答機制

下面的波形：SCL，主機產(chǎn)生的時鐘脈沖

上面的波形：SDA，主機發(fā)送的8位數(shù)據(jù)

中間的波形：SDA，從機在第9個時鐘信號進(jìn)行拉低回應(yīng)，表示收到了主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，拉高則表示不應(yīng)答

注：實際上，上面和中間是同樣的SDA線，這里只是分開示意。因為IIC應(yīng)答是一種相互關(guān)系，單片機發(fā)數(shù)據(jù)給IIC器件，IIC器件要進(jìn)行應(yīng)答，表示收到了數(shù)據(jù)，同樣，單片機接收IIC器件的數(shù)據(jù)后，也要給IIC器件一個應(yīng)答。

既然發(fā)送完都需要對方回應(yīng)，那什么時候使用不應(yīng)答呢？就是在讀取到本次數(shù)據(jù)后，如果不需要繼續(xù)讀取，則發(fā)送非應(yīng)答，對方以為你沒收到這次數(shù)據(jù)，則就不會繼續(xù)發(fā)送了。

1.3.3 IIC完整傳輸時序

開始標(biāo)志（S）發(fā)出后，主設(shè)備會傳送一個7 位的Slave 地址，并且后面跟著一個第8位，稱為Read/Write 位。

R/W 位表示主設(shè)備是在接受從設(shè)備的數(shù)據(jù)還是在向其寫數(shù)據(jù)。

然后，主設(shè)備釋放SDA 線，等待從設(shè)備的應(yīng)答信號（ACK）。每個字節(jié)的傳輸都要跟隨有一個應(yīng)答位。

應(yīng)答產(chǎn)生時，從設(shè)備將SDA 線拉低并且在SCL 為高電平時保持低。

數(shù)據(jù)傳輸以停止標(biāo)志（P）結(jié)束，然后釋放總線。但主設(shè)備也可以產(chǎn)生重復(fù)的開始信號去操作另一臺從設(shè)備，而不發(fā)出結(jié)束標(biāo)志。

所有的SDA 信號變化都要在SCL 時鐘為低電平時進(jìn)行，除了開始和結(jié)束標(biāo)志

1.4 常用的數(shù)據(jù)收發(fā)方式（時序）

上面1.3小節(jié)是IIC的基礎(chǔ)時序，在實際使用中，一般是對某個IIC器件的某個寄存器進(jìn)行讀寫操作，因此，對于寄存器的讀寫操作，還要遵循下面的組合時序邏輯。

1.4.1 寫一個字節(jié)

用于對IIC器件某個寄存器的配置，如對MPU6050的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

寫寄存器時，主設(shè)備除了發(fā)出開始標(biāo)志和地址位，還要加一個R/W 位，0 為寫，1 為讀

在第9 個時鐘周期（高電平時），MPU6050 產(chǎn)生應(yīng)答信號

主設(shè)備開始傳送寄存器地址，并接到應(yīng)答

然后開始傳送寄存器數(shù)據(jù)，仍然要有應(yīng)答信號

最后主設(shè)備發(fā)送停止信號。

1.4.2 連續(xù)寫多個字節(jié)

對連續(xù)地址的寫入，這個用的較少。

通信時序與上面的“寫一個字節(jié)”類似，上面是寫一個字節(jié)后就停止了，若要連續(xù)寫，則繼續(xù)寫即可，只要可以收到從機Ack。

1.4.3 讀一個字節(jié)

用于讀取IIC器件某個寄存器的數(shù)值。

首先由主設(shè)備產(chǎn)生開始信號，然后發(fā)送從設(shè)備地址位和一個寫數(shù)據(jù)位，等待應(yīng)答

然后發(fā)送寄存器地址，才能開始讀寄存器

收到應(yīng)答信號后，主設(shè)備再發(fā)一個開始信號，然后發(fā)送從設(shè)備地址位和一個讀數(shù)據(jù)位

然后，作為從設(shè)備的MPU6050 產(chǎn)生應(yīng)答信號并開始發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)

通信以主設(shè)備產(chǎn)生的拒絕應(yīng)答信號（nACK）和結(jié)束標(biāo)志（Stop）結(jié)束

拒絕應(yīng)答信號（nACK）產(chǎn)生定義為SDA 數(shù)據(jù)在第9 個時鐘周期一直為高

1.4.4 連續(xù)讀多個字節(jié)

也是用于讀取IIC器件某個寄存器的數(shù)值，當(dāng)某些數(shù)據(jù)一位字節(jié)不夠表示，或有一組連續(xù)的數(shù)據(jù)需要讀時，可以使用該模式。

通信時序與上面的“讀一個字節(jié)”類似，上面是讀一個字節(jié)后就nAck叫停，若要連續(xù)寫，則發(fā)送Ack，直到不需要繼續(xù)讀時再回復(fù)nAck。

復(fù)習(xí)了這么多，之前對IIC懵懵懂懂的是否依然犯迷糊，好了，現(xiàn)在從理論進(jìn)入實踐，看看真實的IIC是什么樣子。

2初識IIC真實波形

下面這張圖（請橫屏觀看）是通過示波器抓取的IIC波形，可以看到：

時鐘線SCL是一種間歇性的方波（需要通信時才產(chǎn)生方波）

數(shù)據(jù)線SDA根據(jù)SCL提供的節(jié)拍，高電平代表數(shù)據(jù)1，低電平代表數(shù)據(jù)0

沒有數(shù)據(jù)傳輸時，SDA和SCL均為高電平狀態(tài)

起始信號后，數(shù)據(jù)是9個一組，包括8位的數(shù)據(jù)和另一方的1位回應(yīng)

圖中紅色數(shù)字表示單片機發(fā)送的8位數(shù)據(jù)，黃色數(shù)字表示IIC器件回應(yīng)的信號，低電平0表示器件收到了單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在對IIC波形有沒有多了一些直觀的認(rèn)識？下面再進(jìn)入編程階段，看看程序是怎么控制這兩根線的。

3IIC軟件編寫邏輯

IIC通信可以使用單片機自帶的硬件IIC，它提供了固定的引腳接口和函數(shù)庫。也可以自己通過軟件編寫來實現(xiàn)IIC時序，這時就可以任選引腳，也方便其它硬件平臺的移植。

下面通過軟件IIC的編寫，從軟件角度理解IIC通信邏輯。

以下函數(shù)都是單片機在執(zhí)行，即主機發(fā)出的動作，所以一定要從單片機的角度思考哦~

另外，不要看到程序就匆匆掠過，為幫助理解，我對代碼進(jìn)行了一定的注解，仔細(xì)分析每條代碼，想想與IIC的邏輯如何對應(yīng)起來，IIC邏輯還沒懂的，讀完本篇，分析過真實的IIC波形后，再來看看代碼，會有不一樣的體會。

起始IIC_Start（）

//==================================//產(chǎn)生IIC起始信號//==================================void IIC_Start（void）{ SDA_OUT（）; //sda線輸出 IIC_SDA=1; delay_us（2）; IIC_SCL=1; //時鐘線為高時 delay_us（2）; IIC_SDA=0; //數(shù)據(jù)線由高到低 delay_us（4）; IIC_SCL=0; //時鐘線拉低，鉗住IIC總線，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)}

最后一句SCL拉低，然后就準(zhǔn)備產(chǎn)生時鐘信號，發(fā)送數(shù)據(jù)了。

停止IIC_Stop（）

//==================================//產(chǎn)生IIC停止信號//==================================void IIC_Stop（void）{ SDA_OUT（）; //sda線輸出 IIC_SCL=0; //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！ delay_us（2）; IIC_SDA=0; delay_us（2）; IIC_SCL=1; //時鐘線為高時 IIC_SDA=1; //數(shù)據(jù)線由低到高 delay_us（4）; }

停止前也要確保SCL是拉低的狀態(tài)。

最后SDA和SCL都為高，即釋放IIC總線，IIC總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。

等待應(yīng)答IIC_wait_Ack（）

//==================================//等待應(yīng)答信號到來//用于發(fā)送模式下，發(fā)送8位后，等待器件應(yīng)答第9位//返回值：1，接收應(yīng)答失敗// 0，接收應(yīng)答成功//==================================u8 IIC_Wait_Ack（void）{ u8 ucErrTime=0; SDA_IN（）; //SDA設(shè)置為輸入 IIC_SDA=1;delay_us（1）; //SDA先拉高，若被從機拉低則說明收到應(yīng)答信號 IIC_SCL=1;delay_us（1）; //SCL拉高，產(chǎn)生第9位的脈沖 while（READ_SDA） { ucErrTime++; if（ucErrTime》250） { IIC_Stop（）; return 1; } } IIC_SCL=0;//時鐘輸出0 //SCL拉低，結(jié)束第9位的脈沖 return 0; }

在一定是時間內(nèi)檢測SDA是否被從機拉低，被拉低則說明從機收到了數(shù)據(jù)。

產(chǎn)生應(yīng)答IIC_Ack（）

//==================================//產(chǎn)生ACK應(yīng)答//用于讀取模式（SDA為in）讀了8位器件數(shù)據(jù)后，在第9位給出一個應(yīng)答，我還要繼續(xù)讀//==================================void IIC_Ack（void）{ IIC_SCL=0; //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！ SDA_OUT（）; //SDA由讀取改為發(fā)送 delay_us（2）; IIC_SDA=0; //拉低SDA，表示應(yīng)答 delay_us（2）; IIC_SCL=1; //SCL先上升 delay_us（2）; IIC_SCL=0; //SCL再下降，形成一個脈沖，應(yīng)答才生效}

單片機在接收器件數(shù)據(jù)后，進(jìn)行回應(yīng)，表示接收到了器件的數(shù)據(jù)。

該函數(shù)用在連續(xù)讀取多個字節(jié)時，每讀完一個字節(jié)（8位），產(chǎn)生回應(yīng)，表示還要進(jìn)行讀，這時器件就可以繼續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)了。

當(dāng)單片機不需要繼續(xù)讀，如連續(xù)讀的最后一個字節(jié)，或只讀一個字節(jié)，單片機發(fā)送非應(yīng)答信號，這時器件以為單片機沒有收到數(shù)據(jù)，接下來就不會再發(fā)數(shù)據(jù)了。

非應(yīng)答函數(shù)如下，就是拉高SDA：

不產(chǎn)生應(yīng)答IIC_nAck（）

//==================================//不產(chǎn)生ACK應(yīng)答//用于讀取模式（SDA為in）讀了8位器件數(shù)據(jù)后，在第9位給出一個應(yīng)答，我不想讀了//==================================void IIC_NAck（void）{ IIC_SCL=0; //確保時鐘線為低時，數(shù)據(jù)線才能變化為0，否則這就可能成起始信號了！ SDA_OUT（）; //SDA由讀取改為發(fā)送 IIC_SDA=1; //拉高SDA，表示不應(yīng)答 delay_us（2）; IIC_SCL=1; //SCL先上升 delay_us（2）; IIC_SCL=0; //SCL再下降，形成一個脈沖，不應(yīng)答才生效}

IIC發(fā)送一個字節(jié)

//==================================//IIC發(fā)送一個字節(jié)//返回從機有無應(yīng)答//1，有應(yīng)答//0，無應(yīng)答//==================================void IIC_Send_Byte（u8 txd）{ u8 t; SDA_OUT（）; //SDA發(fā)送模式 IIC_SCL=0; //拉低時鐘開始數(shù)據(jù)傳輸 for（t=0;t《8;t++） { IIC_SDA=（txd&0x80）》》7; //SDA高低電平表示數(shù)據(jù)1和0 txd《《=1; delay_us（2）; //對TEA5767這三個延時都是必須的 IIC_SCL=1; //SCL先上升 delay_us（2）; IIC_SCL=0; //SCL再下降，形成一個脈沖，發(fā)送一位數(shù)據(jù)生效 delay_us（2）; }}

發(fā)送一個字節(jié)，就是分8次循環(huán)，產(chǎn)生8個時鐘信號，并將SDA賦值為0或1。

IIC讀取一個字節(jié)

//==================================//讀1個字節(jié)//ack=1時，發(fā)送ACK，ack=0，發(fā)送nACK //==================================u8 IIC_Read_Byte（unsigned char ack）{ unsigned char i，receive=0; SDA_IN（）; //SDA輸入模式 for（i=0;i《8;i++ ） { IIC_SCL=0; //SCL先下降，通過循環(huán)，形成時鐘脈沖 delay_us（2）; IIC_SCL=1; //SCL上升 receive《《=1; if（READ_SDA） receive++; //讀取并組合記錄數(shù)據(jù)，++表示讀到1了，最低位置1 delay_us（1）; } //讀取8位后，主機需要變?yōu)榘l(fā)送模式，在第9位進(jìn)行應(yīng)答或不應(yīng)答 //此時CLK還是高電平狀態(tài)，不過下面的應(yīng)答會先將CLK拉低的 if （！ack） { //讀1個字節(jié)，或讀多個字節(jié)讀到最后一個字節(jié)時，使用nACK //然后配合使用IIC停止信號 IIC_NAck（）;//發(fā)送nACK } else { //讀多個字節(jié)還沒讀完時，使用ACK，表示現(xiàn)在讀的ok，還要繼續(xù)讀 IIC_Ack（）; //發(fā)送ACK } return receive;}

讀取一個字節(jié)，也是分8次循環(huán)，產(chǎn)生8個時鐘信號，并讀取SDA的高低電平信號，最后，根據(jù)要不要繼續(xù)讀下一個字節(jié)，發(fā)送第9位的Ack或nACK。

4真實IIC波形詳細(xì)分析

4.1 讀取從機數(shù)據(jù)（單字節(jié)讀）

下面這張圖（請橫屏觀看）展示IIC讀某個器件的寄存器的一個字節(jié)的真實波形（注：實際是讀了2個不同寄存器的值，每個寄存器讀了1個字節(jié)，所以，可以先只看前半部分哦~），我已對波形進(jìn)行了詳細(xì)的注解，并留意一下顏色區(qū)分。

對照著圖，再來溫習(xí)一下各個信號的特點：

起始信號：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由高到低

停止信號：時鐘線SCL為高時，數(shù)據(jù)線SDA由低到高

數(shù)據(jù)信號：連續(xù)的8位，每一個SCL脈沖時鐘對應(yīng)的SDA，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0

應(yīng)答信號：第9位（數(shù)據(jù)信號后），由對方產(chǎn)生的回應(yīng)，0為產(chǎn)生回應(yīng)，1為不產(chǎn)生回應(yīng)

上面這幅圖中，單片機先產(chǎn)生起始信號，然后發(fā)送7位器件地址+1位寫標(biāo)志（綠色的0），并等待從機回應(yīng)（從機拉低SDA表示收到數(shù)據(jù)），接著發(fā)送8位寄存器地址，并等待從機回應(yīng)。然后，單片機先再次產(chǎn)生起始信號，發(fā)送7位器件地址+1位讀標(biāo)志（綠色的1），并等待從機回應(yīng)。從機收到讀的信號后，從機開始發(fā)送8位數(shù)據(jù)，主機接收到數(shù)據(jù)后，主機發(fā)送nAck不應(yīng)答信號（圖中的Ack（1），主機將SDA拉高，從機則認(rèn)為主機剛才沒有收到它發(fā)送的數(shù)據(jù)，從機將不再繼續(xù)發(fā)送），接著主機發(fā)送結(jié)束信號，讀取完成。

此圖后半部分是以相同方式讀了另一個寄存器的值。

另外，SCL信號都是由單片機產(chǎn)生，SDA信號由單片機和IIC器件（從機）共同產(chǎn)生，當(dāng)需要對IIC器件的寄存器寫時，單片機產(chǎn)生SDA數(shù)據(jù)，當(dāng)需要讀取IIC器件的寄存器數(shù)據(jù)時，改變傳輸方向，IIC器件產(chǎn)生SDA數(shù)據(jù)。

對于主機和從機什么時候控制SDA，還可以參考這個圖幫助理解：

4.2 讀取從機數(shù)據(jù)（多字節(jié)讀）

上面是單字節(jié)讀的波形，再來看看多字節(jié)的波形，前面的寫器件地址、寫寄存器地址1與單字節(jié)讀一樣，這張圖只顯示了后面不一樣的部分，主要區(qū)別在于單片機接收到數(shù)據(jù)1后，產(chǎn)生低電平的應(yīng)答，從而可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)2。

（注意，因為傳感器這次測得的數(shù)據(jù)不一樣，所以讀出的數(shù)據(jù)也不一樣哦~）

注：以上的IIC真實波形，是使用是硬件IIC，自己編寫的軟件IIC測得的波形，可能在兩個信號的前后延時時間上稍有差別，但整體的時序邏輯肯定是一樣的。

4.3 配置從機寄存器（單字節(jié)寫與多字節(jié)寫）

對于寄存器的配置，也就是IIC的寫寄存器操作，我就不放圖了，參考上面的“常用的數(shù)據(jù)收發(fā)方式（時序）”以及上面的IIC讀寄存器的真實波形，IIC的寫寄存器的真實波形，應(yīng)該可以腦補出哦，哈哈~
編輯：lyn