面試遇到再不怕了：IIC協議

I2C（Inter-Integrated Circuit），有時也稱為IIC或TWI（Two-Wire Interface），是一種用于低速度串行通信的總線協議，主要用于連接微控制器與其外圍設備，如傳感器、EEPROM、RTC（實時時鐘）等。I2C 由飛利浦半導體（現今的恩智浦半導體）在1980年代初期開發。

I2C 通信僅需兩根線：

SDA（Serial Data）：數據線，用于數據的雙向傳輸。

SCL（Serial Clock）：時鐘線，用于同步信號。

I2C 協議的特點包括：

主從架構：

在I2C總線上，任何設備都可以是主設備或從設備。主設備負責生成時鐘信號和控制總線，而從設備接收主設備的指令。通常，微控制器充當主設備的角色。

支持多主設備和多從設備：

I2C 總線允許多個主設備和多個從設備共存，每個設備都有唯一的地址。在多主模式下，各主設備需要通過一定的仲裁機制來協調對總線的訪問。

地址和數據傳輸：

在I2C通信中，數據傳輸是通過發送設備地址加讀寫位開始的，隨后跟隨的是數據傳輸。如果有多個從設備，主設備通過地址來指定與之通信的從設備。

同步：

I2C是一種同步協議，意味著數據的傳輸是由時鐘信號（SCL線）來控制的。

I2C 協議的優點是簡單、成本低且靈活，只需兩根線就能連接多個設備。不足之處是速度相比SPI和UART較慢，且總線長度有限制，隨著連接的設備數量增加，可能會影響通信速度和可靠性。

一、IIC的通信流程

啟動信號：

通信開始時，主設備發出啟動信號。這通過將數據線（SDA）從高電平拉低，而時鐘線（SCL）保持在高電平來實現。這個動作通知所有從設備主設備即將開始通信。

發送設備地址及讀寫位：

緊接著啟動信號，主設備發送從設備的地址以及操作位（讀/寫）到數據線上。每個從設備都有一個唯一的地址。讀寫位決定了操作是讀數據（通常設為1）還是寫數據（通常設為0）。

從設備應答：

地址和讀寫位發送完畢后，被尋址的從設備需要通過發送一個應答信號（ACK）來響應。應答信號是在數據線（SDA）上產生一個低電平信號，同時時鐘線（SCL）為高電平。

數據傳輸：

成功建立連接和從設備應答之后，數據可以開始傳輸。數據是按字節傳輸的，每傳輸完一個字節后，接收方（無論是主設備還是從設備）都需要發送一個應答信號（ACK）。

停止信號：

數據傳輸完成后，主設備發出一個停止信號來終止通信。這通過將數據線（SDA）從低電平拉高，而時鐘線（SCL）保持在高電平來實現，標志著一次I2C交流的結束。

二、發送1bit數據的流程

主設備首先確保時鐘線SCL處于高電平狀態。

然后，主設備會將要發送的比特數據設置在數據線SDA上。如果發送的是‘1’比特，SDA線會被設置為高電平；如果發送的是‘0’比特，SDA線會被設置為低電平。SDA線上的數據必須在SCL線的一個時鐘脈沖開始之前穩定。

在數據線SDA穩定后，主設備通過將時鐘線SCL從高電平拉低到低電平，來通知從設備數據線上的數據可以被讀取。從設備在SCL線為高電平的時候讀取SDA線上的數據。

完成這個數據位的傳輸后，主設備通常會將時鐘線SCL恢復到高電平，準備發送下一個比特或產生一個停止條件以結束通信。

重要的是，在SCL線為高電平期間，數據線SDA上的數據必須保持穩定，因為任何在SCL高電平時的SDA變化都可能被視為控制信號（例如啟動或停止條件）。

三、IIC需要外接上拉電阻

I2C總線的設計是開漏（open-drain）或開集（open-collector）輸出，這意味著連接到總線的設備能夠將總線拉低到地（GND），但是不能將總線推高至電源電壓（Vcc）。

上拉電阻的作用主要包括以下幾點：

提供拉高電平：

設備將總線釋放時，上拉電阻將SDA和SCL線拉高到正邏輯電平（通常是Vcc），確保線路在非驅動狀態時為高電平。

限制電流：

當總線設備將SDA或SCL線拉低時，上拉電阻起到限流的作用，防止電流過大導致設備損壞。

防止總線沖突：

多個設備可能會同時嘗試控制總線。由于開漏設計，任何設備都可以安全地將總線拉低而不會對其他設備造成傷害。上拉電阻確保了在這種情況下不會出現短路。

增強信號完整性：

上拉電阻也有助于維護信號的完整性，減少因為長線路或者其他電氣特性引起的信號退化。

選擇合適的上拉電阻值是很重要的。電阻值太大，電流太小，導致總線拉高速度變慢，影響通信速率；電阻值太小，可能導致電流過大，浪費功率，且拉低總線時可能會對設備造成損害。通常，上拉電阻的選擇取決于總線容量（總線上設備的數量和總線長度）和系統工作的電源電壓。常見的電阻值范圍從1.8kΩ到10kΩ不等。