通信接口介绍

一IIC通信现今，在低端数字通信应用领域，我们随处可见IIC (Inter-Integrated Circuit) 和SPI (Serial Peripheral Interface)的身影。

原因是这两种通信协议非常适合近距离低速芯片间通信。

Philips （for IIC）和Motorola（for SPI）出于不同背景和市场需求制定了这两种标准通信协议。

IIC 开发于1982年，当时是为了给电视机内的CPU和外围芯片提供更简易的互联方式。

电视机是最早的嵌入式系统之一，而最初的嵌入系统是使用内存映射（memory-mapped I/O）的方式来互联微控制器和外围设备的。

要实现内存映射，设备必须并联入微控制器的数据线和地址线，这种方式在连接多个外设时需大量线路和额外地址解码芯片，很不方便并且成本高。

为了节省微控制器的引脚和和额外的逻辑芯片，使印刷电路板更简单，成本更低，位于荷兰的Philips实验室开发了‘Inter-Integrated Circuit’，IIC 或IIC ，一种只使用二根线接连所有外围芯片的总线协议。

最初的标准定义总线速度为100kbps。

经历几次修订，主要是1995年的400kbps，1998的3.4Mbps。

有迹象表明，SPI总线首次推出是在1979年，Motorola公司将SPI总线集成在他们第一支改自68000微处理器的微控制器芯片上。

SPI总线是微控制器四线的外部总线（相对于内部总线）。

与IIC不同，SPI没有明文标准，只是一种事实标准，对通信操作的实现只作一般的抽象描述，芯片厂商与驱动开发者通过data sheets和application notes沟通实现上的细节。

IIC(INTER IC BUS)IIC的数据输入输出用的是一根线，但是由于IIC的数据线是双向的，所以隔离比较复杂，SPI则比较容易。

所以系统内部通信可用IIC,若要与外部通信则最好用SPI带隔离（可以提高抗干扰能力）。

但是IIC和SPI都不适合长距离传输。

IIC总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。

在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

IIC通信:是两根线，发送的开始状态和结束状态都与SCL有关，SDA上先发送设备地址，后发送寄存器地址和数据。

硬件简单，软件协议稍微多点，比如开始状态，结束状态，数据变化状态对时序都有严格要求IIC 是多主设备的总线，IIC没有物理的芯片选择信号线，没有仲裁逻辑电路，只使用两条信号线——‘serial data’(SDA) 和‘serial clock’(SCL)。

IIC协议规定：1. 每一支IIC设备都有一个唯一的七位设备地址；2. 数据帧大小为8位的字节；3. 数据（帧）中的某些数据位用于控制通信的开始、停止、方向（读写）和应答机制。

IIC 数据传输速率有标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

物理实现上，IIC 总线由两根信号线和一根地线组成。

两根信号线都是双向传输的，参考下图。

IIC协议标准规定发起通信的设备称为主设备，主设备发起一次通信后，其它设备均为从设备。

IIC 通信过程大概如下。

首先，主设备发一个START信号，这个信号就像对所有其它设备喊：请大家注意！然后其它设备开始监听总线以准备接收数据。

接着，主设备发送一个7位设备地址加一位的读写操作的数据帧。

当所设备接收数据后，比对地址自己是否目标设备。

如果比对不符，设备进入等待状态，等待STOP信号的来临；如果比对相符，设备会发送一个应答信号——ACKNOWLEDGE作回应。

当主设备收到应答后便开始传送或接收数据。

数据帧大小为8位，尾随一位的应答信号。

主设备发送数据，从设备应答；相反主设备接数据，主设备应答。

当数据传送完毕，主设备发送一个STOP信号，向其它设备宣告释放总线，其它设备回到初始状态。

基于IIC总线的物理结构，总线上的START和STOP信号必定是唯一的。

另外，IIC总线标准规定SDA线的数据转换必须在SCL线的低电平期，在SCL线的高电平期，SDA线的上数据是稳定的。

在物理实现上，SCL线和SDA线都是漏极开路（open-drain），通过上拉电阻外加一个电压源，在总线没用工作的情况下，两根线默认为高电平。

当把线路接地时，线路为逻辑0，当释放线路，线路空闲时，线路为逻辑1。

基于这些特性，IIC设备对总线的操作仅有“把线路接地”——输出逻辑0。

IIC总线设计只使用了两条线，但相当优雅地实现任意数目设备间无缝通信，堪称完美。

我们设想一下，如果有两支设备同时向SCL线和SDA线发送信息会出现什么情况。

基于IIC总线的设计，线路上不可能出现电平冲突现象。

如果一支设备发送逻辑0，其它发送逻辑1，那么线路看到的只有逻辑0。

也就是说，如果出现电平冲突，发送逻辑0的始终是“赢家”。

总线的物理结构亦允许主设备在往总线写数据的同时读取数据。

这样，任何设备都可以检测冲突的发生。

当两支主设备竞争总线的时候，“赢家”并不知道竞争的发生，只有“输家”发现了冲突——当“写一个逻辑1，却读到0时——而退出竞争。

10位设备地址: 任何IIC设备都有一个7位地址，理论上，现实中只能有127种不同的IIC设备。

实际上，已有IIC的设备种类远远多于这个限制，在一条总线上出现相同的地址的IIC设备的概率相当高。

为了突破这个限制，很多设备使用了双重地址——7位地址加引脚地址（external configuration pins）。

IIC 标准也预知了这种限制，提出10位的地址方案。

10位的地址方案对IIC协议的影响有两点：1.地址帧为两个字节长，原来的是一个字节；2. 第一个字节前五位最高有效位用作10位地址标识，约定是“11110”。

除了10位地址标识，标准还预留了一些地址码用作其它用途，如下表：时钟拉伸: 在IIC 通信中，主设备决定了时钟速度。

因为时钟脉冲信号是由主设备显式发出的。

但是，当从设备没办法跟上主设备的速度时，从设备需要一种机制来请求主设备慢一点。

这种机制称为时钟拉伸，而基于I²C结构的特殊性，这种机制得到实现。

当从设备需要降低传输的速度的时候，它可以按下时钟线，逼迫主设备进入等待状态，直到从设备释放时钟线，通信才继续。

高速模式: 原理上讲，使用上拉电阻来设置逻辑1会限制总线的最大传输速度。

而速度是限制总线应用的因素之一。

这也说明为什么要引入高速模式（3.4 Mbps）。

在发起一次高速模式传输前，主设备必须先在低速的模式下（例如快速模式）发出特定的“High Speed Master”信号。

为缩短信号的周期和提高总线速度，高速模式必须使用额外的I/O缓冲区。

另外，总线仲裁在高速模式下可屏蔽掉。

更多的信息请参与总线标准文档。

参考自：/uid-16100003-id-3059814.html关于IIC的响应问题：对于每一个接收设备（从设备，slaver），当它被寻址后，都要求在接收到每一个字节后产生一个响应。

因此，the master device 必须产生一个额外的时钟脉冲（第九个脉冲）用以和这个响应位相关联。

在这个脉冲期间，发出响应的从设备必须将SDA拉低并在时钟脉冲的高电平期间保持住。

这表示该设备给出了一个ACK。

如果它不拉低SDA线，就表示不响应（NACK）。

另外，在从机（发送方）发送完最后一个字节后主设备（接收方）必须产生一个不响应位，用以通知从机（发送方）不要再发送信息了，这样从机就知道该将SDA释放了，而后，主机发出一个停止位给slaver。

总结下，IIC通讯中，SDA 和SCL 都是有主机控制的，从设备只是能够将SDA线拉低而已。

对于SCL线，从机是没有任何能力去控制的。

从机只能被动跟随SCL。

再说的清楚些：主机发送数据到从机的状态下：主机控制SCL信号线和SDA信号线，从机只是在SCL线为高的时候去被动读取SDA线。

主机读取从机的数据的状态下：主机来发出时钟信号，从机只是保证在时钟信号为高电平的时候的SDA的状态而已。

//----------------------------------------补充@201108311142SDA和SCL已经通过上拉电阻被上拉，master可以控制（拉低或者释放）这两条线，而slaver 只能控制SDA线。

当master发送数据时，master会适时地将SDA和SCL拉低或释放(拉高)。

确切的时序应该是这样的：当mater要发送一个start时，mater会将SDA拉低，这就可以了，因为此时的SCL一定是High。

好了，一个start就这样发出去了。

而slaver也会发现这个start信号的发生，slaver 便会准备好接收接下来的数据了。

紧接着，master要发送一个Byte的数据了，一位一位的发出这8个bits。

这时master会先将SCL拉低，然后在SCL为低的状态下将一个bit准备好放到SDA上（比如要发送一个0，master就会通过拉低SDA来放好这个0），然后master会把SCL拉高（释放），此时slaver会立刻检测到SCL的变化，由此聪明的slaver 便知道master已经将要发送的那个bit准备好了，slaver便会在这个SCL的高电平期间尽快（maser不会等你很久的哦）去读取一下SDA，嗯读到了一个0，slaver就把这个0放到自己的移位寄存器中待后续处理。

master会在一个设定好的时间后把SCL再次拉低，然后在SCL为低电平期间把下一个bit放到SDA上，然后再把SCL拉高，然后slaver在SCL的高电平期间再去读SDA。

如此反复8次，一个Byte的传输便告结束。

当这8个bit 发完后，SCL是处于低电平的(被master拉低的)，SDA是出于高电平的(master已经释放了SDA)。

当一个字节发送完毕后，master会释放SDA（拉高）并拉低SCL，此时slaver如果打算发出一个ACK的话，它必须在这个SCL被master拉低的短暂时间内去主动将SDA拉低并保持住 (此前我们说过，SDA此时已经被master释放，所以slaver才有机会去拉低这个SDA)。

master会在一个确定的时间后再次将SCL拉高，并在拉高的期间去读取SDA线的状态，如果读到低电平，则认为收到了来自slaver的响应（ACK），否则认为slaver没有响应（NACK）刚才发送的那一个Byte。

这个过程就是我们说的i2c通讯中的第9个时钟周期。