1.简介

IIC(Inter Integrated Circuit)协议是由飞利浦公司开发的一种半双工同步通信协议，属于一主多从的总线结构，一般有两根信号线，一根时钟线SCL和一根数据线SDA。IIC占用的硬件资源较少，速度也较低，是一种适用于低速、短距离、多设备通信的协议。

IIC的一般模式如下

模式	速率	最大电容
标准模式（Standard Mode）	100kb/s	400pF
快速模式（Fast Mode）	400kb/s	400pF
增强快速模式（Fast Mode Plus）	1Mb/s	550pF
高速模式（High Speed Mode）	1.7Mb/s	400pF
高速模式（High Speed Mode）	3.4Mb/s	100pF
极速模式（Ultra-FastMode）	5Mb/s	?

IIC经过多年的发展，已经支持多主机模型，SMbus协议等。
本文仅介绍最简单的IIC协议。

2.IIC协议

2.1物理层(硬件电路)

2.1.1原理

IIC总线由串行数据线SDA，时钟线SCL和上拉电阻构成

原理是通过对SCL和SDA高低电平时序的控制，来进行数据的传输。在空闲状态时，SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。

2.1.2电路设计和电气限制

连接到总线的输出端必须是开漏输出模式，上拉能力，即上升沿的时间由电源，总线电容和上拉电阻等决定，下降沿由OD产生，速度很快。因此IIC的通信速率上线取决于上拉能力，可以通过示波器直观的看到，上升沿相比于下降沿更慢

2.1.2.1最大设备数量

理论上来说，7位地址的IIC可以挂载127个设备，10位地址IIC可以挂载1023个设备，但是IIC规定了总线电容不能超过400pF，由于器件的管脚都是有输入电容的，PCB上也会有寄生电容，所以会有一个限制。

上面说到了上拉能力与总线电容和上拉电阻有关，其原因是电容和电阻形成一个RC时间常数，影响了上拉时间。

2.1.2.2上拉电阻

IIC采用Open drain模式，设备不能自己输出高电平，这牵扯到一些矛盾

• 功耗低 -> 大电阻
• 速度快 -> 小电阻

上拉电阻计算公式

R_{min}＝\frac{Vdd(min)-0.4V}{3mA}
\\
R_{max}=\frac{CT}{0.874 * C}

如果IIC的上升沿过缓，可以通过减小上拉电阻Rp来实现（不得小于Rmin），或者降低总线电容（减少总线上的设备数量）
IIC协议还定义了串联在SDA、SCL线上电阻。该电阻的作用是，有效抑制总线上的干扰脉冲进入从设备，提高可靠性。这个电阻的选择一般在100～200ohm左右。这个电阻并不是必须的，在恶劣噪声环境中，可以选用。

2.2协议层

2.2.1基本时序

2.2.1.1起始和终止

IIC协议规定，起始和终止只能由主机发出。

• 总线空闲时，SCL和SDA均为高电平
• SCL为高，SDA从高跳变到低，表示起始信号
• SCL为高，SDA从低跳变到高，表示终止信号
  
  

2.2.1.2 寻址

在主机发送起始后，紧接着发送设备地址

2.2.1.3发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据依次放到SDA上（高位先行),然后释放SCL,从机在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许变化。循环8次即可发送一个字节。

2.2.1.4接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据依次放到SDA上（高位先行),然后释放SCL,主机在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许变化。循环8次即可接收一个字节。

2.2.1.5应答

• 发送应答：主机在接受完一个字节后，在下一个时钟发送一位数据，0表示应答，1表示非应答
• 接收应答：主机在发送完一个字节后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，规则同上（接受之前需要释放SDA）

2.2.2写数据

• 主机发送起始信号
• 主机发送从机地址
• 从机产生应答信号
• 主机发送寄存器地址+write
• 从机产生应答信号
• 重复执行:
•     主机发送发送一个字节数据
•     从机产生应答信号
• 主机发送停止信号

2.2.3读数据

• 主机发送起始信号

• 主机发送从机地址

• 从机产生应答信号

• 主机发送寄存器地址+write

• 主机发送起始信号

• 主机发送寄存器地址+read

• 重复执行:

•     主机读取一个字节

•     主机发送应答信号(应答则继续读取，不应答则停止读取)

• 主机发送停止信号

连续读取时是读取以发送地址为首地址的连续内存区域

2.2.4数据有效性

• SDA线上的数据必须在SCL的高电平时保持稳定。
• SDA线的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。
• 发送到 SDA 线上的每个字节必须为 8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制 ，每个字节后必须跟一个响应位 ，首先传输的是数据的最高位
• 如果从机要完成一些其他功能后（如中断）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线 SCL 保持低电平迫使主机进入等待状态 ，当从机准备好接收下一个数据字节时释放时钟线 SCL， 数据传输继续。
• 当两个主机在较短的时间内发起起始条件时，会进行仲裁，保证仅由一个主机发送数据。

3.总结

IIC协议是一种性价比非常高的通信协议，广泛用于芯片之间的通信，IIC协议是精心设计的，使用最少的硬件实现了最多的功能，其同步时序也易于软件实现，但是由于IIC是Open drain模式，导致其上拉能力较弱，因此最高传输速率有限，尽管现在已经有解决方案，但是并没有普及