概述

在討論IIC的時候，無需一頭扎進IIC協議中去分析文檔，根據以下的步驟來分析，就能很明確地知道IIC的協議，以及如何設計IIC主機或者從機。

初識IIC

在實際的電路設計中，兩個芯片（IC）需要互相通信，發生數據的交換。那麼這兩個芯片之間必須滿足一些規則，這樣，負責“聽”的芯片就能“聽懂”“說”的那個芯片“說了些什麼”。與人類交流原理相通，“聽者”首先需要知道“說者”是對哪個“聽者”發出命令，並且需要需要“說者”以“聽者”能聽的懂的語言來溝通交流（通信方式）。同時，“說者”說話的頻率不能太快，以保證“聽者”能清楚地知道所要表達的意思（通信頻率）。這些合在一起就構成了IIC的通訊協議。

圖1

那麼IIC到底是什麼呢？定義如下：IIC即Inter-Integrated Circuit，是由飛利浦半導體在上世紀八十年代設計出來的一種串行總線，主要是用來連接整體電路。在IIC剛設計出來的時候，因爲其簡單，雙向通信，二線制，同步設計等優點，迅速地成爲芯片間互聯的一個優勢選擇。在整個電路板上，可以使用一個IIC主控制器，其他的所有芯片，都掛在同一個IIC總線結構下。這樣就可以完成整個系統中所有的芯片的數據傳輸。最大的優點是簡化了信號傳輸的總線接口（2-wire）。同時，IIC的通信速度有兩種，一種爲普通模式下的100KHz，另一種爲高速模式下的400KHz.

圖2

在上圖2中，區分了IIC設備的主設備（Master）和從設備（Slave），無論Master還是Slave都具有一個地址Address，這個地址即爲設備的“標識符”。通過訪問設備的“標識符”就能與設備進行通訊。在具體的設計中，需要明確哪個是主設備（Master），即信號的發起者，哪個是從設備（Slave），即信號的接收者。所描述的“信號的發起者”或者“信號的接收者”，可以看成是那個器件在發出SCL信號。對於SDA來說，它是一個雙向的單bit信號，這就是IIC爲什麼是雙向通信的原因了。

Master與Slave進行通信，既要向Slave中“寫入”數據，也要從Slave中“讀取”數據。而無論讀入或者寫出的數據，都是一位一位地從SDA線上傳輸的。

通信過程

由上面的介紹可以知道，對於設備來說，它有一個“標識符”，即設備地址，一般的設備地址是7bit的，留出來一個bit來做“讀”或者“寫”的標誌。從設備接收到主機所發送的設備地址和讀寫標誌後，首先判斷設備地址是否爲自己的地址，如果地址匹配成功，其次纔開始響應讀寫標誌位。當從設備響應完成後，設備進入Ready狀態，準備接收主設備發送的後續數據。當主機發送完一個字節（8bit）的數據後，從機一般會返回一個響應（ACK）標誌，用來通知主機，接收成功。

詳細介紹

上面對通信過程進行介紹的時候，有幾個問題沒有解決：

數據通信何時開始 / 何時結束
ACK信號怎樣表示 / NACK信號怎樣表示
ACK / NACK信號什麼時候存在

帶着以上的問題再重新回看IIC通信。SDA和SCL總線，在空閒不進行通信的時候，是處於高電平狀態，即SDA 和SCL都爲邏輯1。我們都知道，數據在傳輸的過程中，都是由時鐘的邊沿將數據送入到器件中。即芯片在時鐘邊沿對數據進行採樣的時候，必須要保證數據線穩定不變。在這裏需要保證在SCL爲高電平的時候，保持SDA穩定不變，這樣才能將數據穩定地送入到芯片中。所以我們可以將IIC總結如下：

SCL爲高，SDA發生變化，即爲發生了特殊狀態（ACK, NACK, START, STOP）
SCL爲地，SDA發生變化，即爲數據端發生跳變，這個是無影響的。
IIC總線在數據傳輸時，時鐘信號爲高電平，數據線上的數據必須保持穩定，只有在SCL上的信號爲低電平時，SDA線才允許變化

也只有這樣，才能在2-wire上完成這麼多的狀態對通信進行控制。

接下來，就詳細地描述這些狀態標誌，這是IIC通信協議的核心。

START和STOP信號

SCL爲高電平期間，SDA由高電平向低電平變化表示爲起始信號；

SCL爲高電平期間，SDA由低電平向高電平變化表示爲終止信號。

圖 3

起始信號和終止信號都是由主機發出的，在此時，從機僅處於空閒狀態。當起始信號產生後，總線就處被佔用的狀態；在終止信號產生後，總線又回到了空閒狀態（SCL = 1 SDA = 1）.

接收器件分爲兩種，一種是內部集成了IIC控制器，另外一種是使用GPIO來模擬IIC控制器。無論哪種，主機在發送START後，會緊接着發送一個完整的數據字節，從機接收這個數據字節，但有可能從機在接收完成後，無法立即響應以接收下一個字節（從機可能在處理中斷等），這時候從機會將SCL線拉底到低電平，從而使主機處於等待狀態，直到從機準備好接收下一個字節，才釋放SCL使其回到高電平。

ACK和NACK信號

每一個完整的傳輸都必須保證是一個字節的傳輸（8bit），在傳輸過程中是由MSB到LSB進行傳輸的，每一個字節傳輸完成後都必須跟隨一位應答信號，即每一個完成的傳輸是9bit。

圖 4

需要注意的是，並非每一次字節傳輸完成後都會有ACK信號，有以下三種情況例外：

當從機無法響應主機發送給從機的地址時（例如從機正忙，這個地址錯誤等）在第9個SCL週期內SDA沒有被拉低，即沒有ACK信號，這是主機會發送一個STOP標誌來終止信號的傳輸或者重新發出一個RESTART信號請求新的傳輸。
如果從機接收器在傳輸過程中不能接收更多的數據時，它也不會發出ACK標誌，這樣主機在接收不到ACK標誌的時候就會發出一個STOP信號來終止傳輸或者重新發出一個RESTART信號來請求新的傳輸。
主機接收器在接收到最後一個字節後，也不會發出ACK信號，於是從機釋放SDA線，以允許主機發送STOP信號來結束傳輸。

以上可以總結爲：對主機來說，它會不斷地檢測在SCL處於第9週期時SDA是否爲低，只要發現爲低，那麼主機在接下來就會發出STOP信號。