IIC协议超详细解释（适合小白入门）

以下内容，将解释以下几个问题
1.IIC协议是什么？
2.IIC协议用来干什么？
3.IIC协议的通信过程？

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1.IIC协议是什么？
IIC,即I²C，全称 Inter-Integrated Circuit，字面上的意思是集成电路之间，它其实是I²C Bus简称，所以中文应该叫 集成电路总线 ，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。（百度百科）

2.IIC协议用来干什么？
简单地说，IIC就是一种通信协议，是为了能让主板，或嵌入式系统等与其他外设模块进行通信而进行开发的。玩过stm32开发板的同学都知道，对于一块stm32核心开发板而言，要想使用其他的外设模块，就肯定要经过接线，写代码，烧录运行的这个过程。其实这个过程，就是一个stm32与外设模块通信的过程。接线，就是搭建通信的线路。写代码，就是制定通信的传输协议。烧录运行，就是正式的通信过程。只不过有的模块通信过程很简单，大家感觉不出来。外设和芯片间的通信可以形象地比喻成两个人讲话：i、你说的别人得能听懂：双方约定信号的协议。ii、你的语速别人得能接受：双方满足时序要求。但是随着科技的发展，模块越来越多，总不可能，每个模块都要制定一种通信协议，这样不现实。所以，总要有一些代表性的协议能够适应大部分的模块的通信。IIC这是这样一种协议，一个IIC总线上，可以挂载多个外接设备。
常用的串行通信协议有：
①UART串口通信
②IIC协议
③SPI协议
④USB协议（很难）
常用的并行通信协议有：
①8080
②6800

3 .IIC协议的通信过程( 此处重点 ）

接线：要搭建IIC的通信线路，出除去电源之外，还需要两条线，分别是SDA和SCLK
SDA:数据信号线，用于传输数据
SCLK:时钟信号线，用于产生时钟频率，控制时序，实现协议过程
由此可以看出，由于是单总线进行数据传输，所以IIC协议是半双工的。
这里我们使用软件方式模拟IIC协议。

搭建好线路之后，就要进行具体的通信了。
要通信，总得先发个开始信号吧。就像你要和别人说话，总要先喊他一声一样。如下图所示，协议规定，当SCLK时钟信号一直处于高电平状态时，SDA线由高电平跳变到低电平这个动作，表示起始信号。注意此时就算SDA数据线的电平跳变完，SCLK线依然是高电平哦。当连接在IIC总线上的外设模块检测到这个信号时，就知道数据要开始传输了。对于结束信号同理，协议规定，当SCLK时钟信号一直处于高电平状态时，SDA线由低电平跳变到高电平这个动作，表示结束信号。

在明白如何开始之后，就要开始进行数据的传输了。
协议规定，在数据的传输过程中，SCLK为高电平时，外设模块开始采集SDA数据线上的数据，此时要求SDA数据线上的电平状态必须稳定（不然鬼知道这一位数据是0还是1），当SCLK为低电平时才允许SDA线上的数据跳变成另外一种状态。
以下以传输1个bit的数据为例，如下图所示：
现在，我想传输1bit数据，该位数据为1，从上文知道，我们在发完开始信号之后，此时SDA数据线的电平状态为低电平，SCLK信号依然是高电平。难道这个时候外设就要开始读取数据了吗？这显然不是的，从发完开始信号到真正的数据传输之间，会有一段缓冲时间，让我们去准备数据，在准备数据阶段，先将SCLK信号拉低一段时间，在这期间将SDA数据线拉高一段时间（即数据1），然后再将SCLK信号拉高，此时这个时钟信号的高电平被外设检测到的话，外设就知道要读取数据了，从而SDA上的数据就会被外设读到了。依次类推，传输下一位数据。

一般，传输完1个字节（即8bit，高位先入）的数据，才算做一次完整的数据传输，因为对存储单元而言，最小的单位便是字节。那如何确定，每次都完好地传输了一个字节呢？
这种情况就需要外设来做出回应了，就像打点电话一样，如果对方不在，或不想听，说再多也没用啊。那么外设如何做出回应呢？协议规定，主机每传完一个字节的数据即外设每收到一个字节的数据，外设就要在第9个时钟脉冲到来的时候，将SDA数据线拉低进行应答（ACK）,且必须是稳定的低电平，表示已经收到了一个字节的数据，拉高表示不进行应答（NACK；注意这里是外设将SDA数据线拉低，不是主机了哦。如下图所示：

所以在主机传完一个字节的数据之后，就应该释放总线（协议规定，当SDA和SCLK同时为高时，表示空闲状态）然后把SDA数据线连接的IO口从输出模式转换成输入模式，这样才能拿到SDA数据线上的应答信号。这样，一个字节的数据就从主机到外设传输完毕了。

既然IIC是双向通信的，那主机肯定也是需要从外设读取数据的，那这个读取的过程又是怎么实现的呢？毕竟外设对于我们而言是不能直接操作的，我们能操作的只有stm32。我们知道，一个IIC总线上，可以挂载多个设备，那么stm32如何确定是哪个外设正在跟我进行通信呢。对于此，那些生产外设模块的厂商们就约定，要是这个设备使用IIC协议进行通信，那么就要给这个设备指定一个器件地址，以供芯片访问。这个器件地址会在你购买其模块的时候在使用手册上注明。所以，要跟哪个模块通信，就一定要通过查阅其使用手册，找到它的器件地址。
所以，在上文所述的最开始的一个字节的数据传输过程中，这一个数据往往是器件地址。这样，对应的外设才知道，是要跟我进行通信。读取数据，也是同理，要想从外设中读取到数据，主机要明确三点：从哪个外设中的哪个地方读取数据，读取到的数据要存到哪里。
所以主机，在开始读数据之前，主机必须要先给外设发器件地址，数据所在的地址，外设才会知道你要从该地址读取数据，从而把数据通过SDA线传出来。至于具体的每个字节的传输过程，和上面所讲的从主机到外设的过程差不多，只不过反了一个反向而已，并且主机的等待应答变成了主动应答。

以下是IIC协议代码

/*
	设置SDA总线为输出模式
	参数值：NULL
	返回值：NULL
*/

void IIC_setSDAMode_Out()
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_IIC;	
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
	
	GPIO_IIC.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_OUT;				//输出
	GPIO_IIC.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;				//推挽
	GPIO_IIC.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_15;		            //引脚
	GPIO_IIC.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;   				//上拉
	GPIO_IIC.GPIO_Speed = GPIO_Speed_25MHz;				//输出
	GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_IIC);
}


/*
	设置SDA总线为输入模式
	参数值：NULL
	返回值：NULL
*/

void IIC_setSDAMode_In()
{

	GPIO_InitTypeDef GPIO_IIC;
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
	
	GPIO_IIC.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN;					 //输出
	GPIO_IIC.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_15;		             //引脚
	GPIO_IIC.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;   				 //上拉
	GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_IIC);

}

/*
	IIC开始信号
	参数值：NULL
	返回值：NULL
*/

void IIC_Start()
{
		IIC_setSDAMode_Out();
		
		IIC_SDA_OUT(1);                             //总线释放状态
		IIC_SCL_OUT(1);
		delay_us(5);
	
		IIC_SDA_OUT(0);                             //SDA跳变为低电平
		delay_us(5);
	
		IIC_SCL_OUT(0);        
	  delay_us(5);



}

/*
	IIC停止信号
	参数值：NULL
	返回值：NULL
*/

void IIC_Stop()
{
		IIC_setSDAMode_Out();
		
		IIC_SDA_OUT(0);          
		IIC_SCL_OUT(0);
		delay_us(5);
	
		IIC_SCL_OUT(1);                              //SDA跳变为高电平
		delay_us(5);
	
		IIC_SDA_OUT(1);        
	  delay_us(5);

}

/*
	主机写入数据到外设中
	参数值：
				 data  要写入的一个字节
	返回值：NULL
*/

void IIC_writeByte(u8 data)
{
	
	IIC_setSDAMode_Out();
	
	IIC_SCL_OUT(0);                                 //只有时钟线拉低，SDA上的数据才允许写入
	delay_us(5);
	
	//将数据一位一位的发出去
	for(int i =0;i<8;i++)
	{
	
		if(data&(0x1<<(7-i)))               //高位先入
			{
					IIC_SDA_OUT(1);
			}
			else
			{
					IIC_SDA_OUT(0);
			}
			
			 IIC_SCL_OUT(1);                 //让外设读取数据
			 delay_us(5);
		
			 IIC_SCL_OUT(0);                 //重新拉低，准备写入下一位数据
			 delay_us(5);
	}
}



/*
	主机从外设中读取一个字节的数据
	参数值：NULL
	返回值：NULL
*/

u8 IIC_readByte()
{

	
  u8 data = 0;
	IIC_setSDAMode_In();

	IIC_SCL_OUT(0);                  //先拉低，为读取数据做准备
	delay_us(5);

	for(int i=0;i<8;i++)
	{
	
			IIC_SCL_OUT(1);         // SCL为高期间才可以读取数据
			delay_us(5);
		
		if(IIC_SDA_IN)
		{
				data|=(0x01<<(7-i));
			
		}else{
			data &= ~(0x1<<(7-i));
		}	
		IIC_SCL_OUT(0);
		delay_us(5);
	}
	return data;


}



/*
	主机等待应答
	参数值：NULL
	返回值：ack     0  应答   1 不应答
*/


u8 IIC_waitAck()
{
	
	u8 ack =0;
	IIC_setSDAMode_In();

	IIC_SCL_OUT(0);             //准备时序
	delay_us(5);
	
	IIC_SCL_OUT(1);
	delay_us(5);
	

	if(IIC_SDA_IN)
	{
				ack =1;
	}
	else
	{
				ack =0;	
	}
	
	
	IIC_SCL_OUT(0);              //拉低，表示应答完成
	delay_us(5);
	
	
	return  ack;


}

/*
	主机主动应答
	参数值：
				ack  0 应答 1 不应答
	返回值：NULL
*/


void IIC_Ack(u8 ack)
{
	IIC_setSDAMode_Out();
	IIC_SCL_OUT(0);
	delay_us(5);
	
	if(ack)
	{
		IIC_SDA_OUT(1);
	}
  else
	{
	
		IIC_SCL_OUT(0);
	}
	
	
	IIC_SCL_OUT(1);
	delay_us(5);
	
	IIC_SCL_OUT(0);
	delay_us(5);	
	
}