通信协议详解（二）：IIC总线协议（传输时序+数据格式+设计实现）

    IIC（Inter-Integrated Circuit）是一种具有两线传输的串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年为了让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备而提出，适用于数据量不大且传输距离短的场合。     IIC串行总线由两根信号线组成，一根是双向的数据线SDA，另一根是单向的时钟线SCL，在空闲状态时，SDA和SCL线都置’1‘，为高电平。

IIC为同步的半双工通信方式

常见的传输速率有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s

    IIC由两根通信信号线组成，SCL是由主模块输入的时钟信号，是单向的信号，而SDA是由主机或从机控制的数据信号，是双向信号。

    在空闲状态下，SCL及SDA都是置高的状态，当需要进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，START信号的标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由高变低 ，即视为START开始，STOP信号标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由低变高，即视为STOP结束，START信号与STOP信号之间的信号流即为所传输信号。     IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，所含数据流一般包含地址、片选、读写、数据信号。其基本时序如图1所示，SCL为输入的时钟信号，SDA既可作为数据的输入信号，也可作为数据的输出信号

tHIGH 和 tLOW分别为高电平和低电平持续时间； tsu,sta 和 thd,sta分别为开始信号start的建立和保持时间； tsu,dat 和 thd,dat分别为数据信号data的建立和保持时间； tsu,sto 和 thd,sto分别为结束信号stop的建立和保持时间；

    在进行写操作时，SCL一直保持时钟的信号，SDA线的传输以8位为一个单位，在进行第一个8bit的传输后，若从设备接收到传输信号，则会返回一个应答信号ack，然后拉低SDA线，进行下一步的数据写入，写周期时序图如下图所示 ，twr 为进行数据写入的时钟周期

    IIC进行传输时，数据data的改变必须在SCL信号为低电平时进行，在SCL为高电平时保持稳定，此时认为在SCL为高电平时的数据有效，其时序如下图所示

    IIC传输的开始及结束如下图4所示，在SCL为高电平期间，SDA由高变低，即为start信号；在SCL为高电平期间，SDA信号由低变高，即为stop信号.

    传输过程中的应答信号时序如下图5所示，当检测到start信号后，在随后的8个时钟周期，SDA线进行一次8bit的数据传输，若接收到相应的8bit信号，则在第9个时钟周期拉低SDA信号，并视为一次ack应答信号

    进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，一次完整的IIC传输包含

基本数据格式如下图所示：

        当检测到Start信号时，主机输出8bit的信号，其中前7bit表示从机的地址，为选中的从机信息，第8bit表示当前进行的读写操作，为’1’表示读操作，为’0’表示写操作，然后第9位为从机的应答ack信号，表示指定从机已接收到地址信号，以进行后续的传输；后续的传输以 8 bit + ack 的重复，即 n * Bytes + n * ack 信号来进行数据的传输，最后主机发出Stop信号，即当前的一次IIC传输结束。

    前面提到IIC一般适用于吞吐量较低的场景，其常见的传输速率(SCL线上时钟)有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s，而数字处理逻辑动辄几十百兆速率的系统时钟，因而对于IIC必须要做一个低频的时钟。一个完整的IIC传输过程中会用到三个时钟：1、系统频率时钟；2、IIC传输驱动时钟；3、SCL线上时钟（伪时钟）

    SDA信号数据的改变必须是在SCL为低电平时改变，在SCL为高电平时保持稳定，因而可以得出IIC_dri_clk和SCL_clk的关系，IIC_dri_clk频率应至少为SCL_clk的两倍以上（通常选用四倍频，若选用两倍频则只能在下降沿或在当前数据获取的clk上升沿进行改变，易出现毛刺），SDA才能实现在SCL低电平改变数据。时钟频率关系如下，其中 Freq_div 为 分频系数                 FIIC_dri_clk=4 * FSCL_clk

               Freq_div=FSystem_clk /FIIC_dri_clk

时钟分频具体实现如下：