对 IIC 总线的理解、调用函数以及常见面试问题

一、IIC 总线概述：

IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线）
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线， I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。

二、IIC 总线通信协议：

要掌握IIC的通信协议，需要掌握以下6个通信信号：
1.起始信号
2.终止信号
3.写数据
4.读数据
5.应答信号
6.非应答信号

• 起始和终止信号
  SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

• 应答信号
  IIC 总线协议规定，每传送一个字节数据后，都要有一个应答信号以确定数据传送是否被对方收到。应答信号由接受设备产生，在SCL为高电平期间，接受设备将SDA拉低为低电平，表示数据传输正确，产生应答（ACK）

• 数据传送
  I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

根据AT24C02的芯片，可编写以下信号函数程序：

//1.起始信号 SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；void IIC_Start(void)       {    SDA = 1;    SCL = 1;    delay_us(1);   //15us     >> 4.7us    SDA = 0;    delay_us(1);    SCL = 0;}//2.终止信号 SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。void IIC_Stop(void)   {    SDA = 0;    SCL = 1;    delay_us(1);   //15us     >> 4.7us    SDA = 1;    delay_us(1);    SCL = 0;}void IIC_SendByte(unsigned char dat)   //3.写数据{    unsigned char i;    for (i = 0; i < 8; i++)    {        if((dat<<i)&0x80)        {            SDA = 1;        }        else        {            SDA = 0;        }        SCL = 1;       //开始让数据维持稳定        delay_us(1);          SCL = 0;        delay_us(1);    }    SDA = 1; //释放总线  ， 发送完8位，主机置高电平    SCL = 1;    delay_us(1);    if (SDA)        //SDA 低电平    从机回馈低电平    {        ack = 0;   //0 == ack  代表无ack信号， 从机不应答，发送不成功    }    else    {        ack = 1;   //从机应答，发送成功    }    SCL = 0;    delay_us(5);}unsigned char IIC_RecvByte(void)   //4. 读数据{    unsigned char i, temp;    SDA = 1;               //保险 高的 与 上低的 是低的， 线与    for (i = 0; i < 8; i++)    {        SCL = 0;       // 告诉 数据可以变化      SDA  脉冲线                        //只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。        delay_us(1);        SCL = 1;       // 数据保持稳定， 开始读        delay_us(1);        temp<<=1;        if (SDA)        {            temp = temp + 1;        }    }    SCL = 0;    delay_us(10);    return temp;}void IIC_ACK(void)         //5. 应答信号{    SDA = 0;    SCL = 1;    delay_us(1);    SCL = 0;}void IIC_NOACK(void)       //6. 非应答信号{    SDA = 1;    SCL = 1;    delay_us(1);    SCL = 0;}

根据时序图，可编写24C02的读写函数程序：

unsigned char AT24CXX_WriteStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num){    unsigned char i;    IIC_Start();    IIC_SendByte(devaddr);    if (0 == ack)     {        return 0;    }    IIC_SendByte(romaddr);    if (0 == ack)     {        return 0;    }    for (i = 0; i < num; i++)    {        IIC_SendByte(*s);        if (0 == ack)         {            return 0;        }        s++;    }    IIC_Stop();    return 1;}

unsigned char AT24CXX_ReadStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num){    unsigned char i;    IIC_Start();    IIC_SendByte(devaddr);    if (0 == ack)        //无应答 返回0 失败    {        return 0;    }    IIC_SendByte(romaddr);    if (0 == ack)     {        return 0;    }    IIC_Start();    IIC_SendByte(devaddr + 1);    if (0 == ack)     {        return 0;    }    for (i = 0; i < num - 1; i++)    {        *s = IIC_RecvByte();        IIC_ACK();        s++;    }    *s = IIC_RecvByte();    IIC_NOACK();    IIC_Stop();    return 1;}

三、有关 IIC 总线常见面试题：（参考）

• 介绍一下你了解的I2C？

I2C总线是飞利浦（PHLIPS）公司推出的一种串行总线，用于连接微控制器及其外围设备， I2C串行总线有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。 它仅通过两根信号线就可以完成对所有挂载在I2C总线上的从器件进行操作。这样的好处是可以大大的节省我们微处理器的IO口资源。

• I2C到底可以挂载多少个器件呢？

答：IIC协议规定，在启动总线后第1字节的高7位是从节点的寻址地址，其中高四位为器件类型识别符，接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作，所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定，7位寻址地址减去1个广播地址0x00不用，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127个地址， 所以理论上可以挂127个从器件。

• I2C如何同时挂载多个同一种器件（地址相同的器件）？

答：理论上是不会这样设计的，如果一定要这样做的话，可以通过硬件上设计，控制器件是否挂载总线来实现（方法可用一个开关电路切断器件SDA或者SCL是否接入总线来实现）

• I2C总线的主机与从机之间是如何通信的呢？

I2C总线的主机与从机之间的通信主要和I2C的时序有关。在通信开始的时候SCL与SDA都置为高电平，此时为总线空闲时间。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉低，标志这总线的启动。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉高，标志这总线的终止。在进行数据传送时，SCL为高电平期间，SDA上的数据必须保持稳定，只有在SCL的信号为低电平时，SDA上的高电平才允许变化。所以只要我们根据芯片手册正确的写好IIC的时序，按时序发送器件地址（不同的器件的地址不同）以及数据，就可以使主机与从机之间通信。

• I2C总线的仲裁你知道吗？

总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。

• I2C时钟信号（SCL）的同步问题

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

• I2C总线的其他注意点

1、进行数据传送时，在SCL为高电平期间，SDA线上电平必须保持稳定，只有SCL为低时，才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是高位在前。
2、对于应答信号，ACK=0时为有效应答位，说明从机已经成功接收到该字节，若为1则说明接受不成功。
3、如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间，可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进入等待状态。
4、主机完成一次通信后还想继续占用总线在进行一次通信，而又不释放总线，就要利用重启动信号Sr。它既作为前一次数据传输的结束，又作为后一次传输的开始。
5、总线冲突时，按“低电平优先”的仲裁原则，把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。
6、在特殊情况下，若需禁止所有发生在I2C总线上的通信，可采用封锁或关闭总线，具体操作为在总线上的任一器件将SCL锁定在低电平即可。
7、SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的。