概述

IIC（Inter-Integrated Circuit）其實是IICBus簡稱，所以中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備而發展。I2C的正確讀法為“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）則是另一種錯誤但被廣泛使用的讀法。自2006年10月1日起，使用I2C協議已經不需要支付專利費，但制造商仍然需要付費以獲取I2C從屬設備地址。

接口

I2C串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設備上的串行數據SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。

SCL - 串行時鐘線
SDA - 串行數據線

為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（OD）輸出或集電極開路（OC）輸出。設備上的串行數據線SDA接口電路應該是雙向的，輸出電路用于向總線上發送數據，輸入電路用于接收總線上的數據。而串行時鐘線也應是雙向的，作為控制總線數據傳送的主機，一方面要通過SCL輸出電路發送時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的SCL電平，以決定什么時候發送下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的SCL信號發出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發出低電平信號以延長總線時鐘信號周期。總線空閑時，因各設備都是開漏輸出，上拉電阻Rp使SDA和SCL線都保持高電平。任一設備輸出的低電平都將使相應的總線信號線變低，也就是說：各設備的SDA是“與”關系，SCL也是“與”關系。因此SDA和SCL 可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認情況下將其保持在高電平。在這里插入圖片描述 IIC 總線上數據的傳輸速率在標準模式下可達 100kbit/s 在快速模式下可達 400kbit/s 在高速模式下可達 3.4Mbit/s。

通信協議

SDA 線上的數據必須在時鐘的高電平周期保持穩定。數據線的高或低電平狀態只有在 SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變。在這里插入圖片描述

空閑狀態

SDA為高電平，SCL為高電平。

起始狀態

其中一種情況是在 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，產生一個 下降沿 ，這個情況表示起始條件。

結束狀態

當 SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，產生一個 上升沿 ，這個情況表示停止條件。在這里插入圖片描述

傳輸數據

器件地址位

由于IIC總線上可能掛載著多臺設備，所以主設備在傳輸有效數據之前要先指定從設備的地址， 大多數從設備的地址是7位的，還有部分設備支持10位尋址 ，主設備如果需要向從機發送/接收數據，首先要發送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址。將數據發送至SDA數據線上即可。

讀寫位

緊接著的第 8 位是數據方向位(R/ W) ----'0'表示發送（寫），'1'表示請求數據（讀）。

應答信號位

主設備每發送完8bit數據后等待從設備的ACK。即在第9個clock，若從設備發ACK，SDA會被拉低。若沒有ACK，SDA會被置高，這會引起主設備發生RESTART或STOP流程，當ACK=0時為有效應答位，說明從機已經成功接收到該字節，若為1則說明接受不成功。

數據地址位

當找到往哪個設備寫數據之后，就開始尋址往這個設備的特定地址寫數據，和上述的發送器件地址一樣，直接將地址數據發送至SDA線即可。

數據位

發送到 SDA 線上的每個字節必須為8位，每次傳輸可以發送的字節數量不受限制，每個字節后必須跟一個響應位，首先傳輸的是數據的最高位 (MSB) 。在這里插入圖片描述

示例

設置器件地址為0x78(0111 1000)，數據地址為0x40(0100 0000)，寫入數據0xAA(1010 1010)。

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,0x78,0x40,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_i,1,0x100);

查看HAL_I2C_Mem_Write說明可以得知，目標設備地址在調用接口之前，數據表中設備的7位地址值必須左移；即發送到從設備的數據已經右移了一位，所以0x78(0111 1000)右移一位變成0x3c(011 1100)。

/**
 * @brief  Write an amount of data in blocking mode to a specific memory address
 * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
 *                the configuration information for the specified I2C.
 * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
 *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
 * @param  MemAddress Internal memory address
 * @param  MemAddSize Size of internal memory address
 * @param  pData Pointer to data buffer
 * @param  Size Amount of data to be sent
 * @param  Timeout Timeout duration
 * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress,
                                    uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

通過示波器抓取的波形如下所示。在這里插入圖片描述

在空閑狀態，SDA和SCL都是處于高電平狀態。
在起始狀態，SDA先產生一個下降沿，之后SCL也出現一個下降沿，此時數據傳輸開始。
在傳輸狀態，由于傳輸速率為100kbit/s，故SCL時鐘的切換時間為5us，一個周期為10us；當SCL為1的時候，SDA不會發生改變，故檢測SDA信號線的數據，當為低電平則為0，高電平則為1.
在讀寫狀態，當SDA數據為0的時候，為寫狀態。
在應答狀態，當SDA數據為0的時候，為應答狀態。上述為成功傳輸的例子，若不成功傳輸，設置器件地址為0x77(0111 0111)，數據地址為0x40(0100 0000)，寫入數據0xAA(1010 1010)。
```
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,0x77,0x40,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_i,1,0x100);
```
由于地址位0x77(0111 0111)右移一位，故發送出去的為0x3B(011 1011),通過示波器抓取的波形如下所示。
- 在應答狀態，由于沒有連接0x77地址（實際發送為0x3B）的設備，當SDA數據為1的時候，為非應答狀態，之后進入復位或者停止。