IIC

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功能概述

IIC概述

基本定义

IIC（Inter-Integrated Circuit，也称I2C）总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

IIC是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。IIC接口使用主机和从机的概念，通常一个主机会搭配一个或多个从机，主机负责启动和结束通信会话。

IIC拓扑结构如下：

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核心特点

  • 两线制设计：仅需SDA（数据线）和SCL（时钟线）两根信号线，SDA用来传输数据，SCL用来同步数据收发。

  • 多主多从架构：支持多个主设备和多个从设备。

  • 地址识别：总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，只需知道器件地址，即可根据时序实现微控制器与器件之间的通信。

  • 双向通信：数据线SDA和时钟线SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。

  • 应答机制：内置ACK/NACK确认机制，确保数据传输可靠性。

传输速率

IIC支持多种传输速率模式：

  • 标准模式：100 kbit/s

  • 快速模式：400 kbit/s

  • 高速模式：3.4 Mbit/s

  • 超快速模式：5 Mbit/s（较少使用）

IIC通信协议详解

时序介绍

  • 空闲电平：SCL和SDA均为高电平。

  • 起始信号时序：SCL为高电平（空闲）时，SDA由高电平到低电平的跳变。

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  • 结束信号时序：SCL为高电平（空闲）时，SDA由低电平到高电平的跳变。

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  • 应答信号时序：接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节（8位）数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。

当SDA是低电平为有效应答（ACK），表示对方接收成功；当SDA是高电平为无效应答（NACK），表示对方没有接收成功。

  • 数据传输时序：SCL低电平时，允许数据位变化。每8位数据传输完成后，从机将拉低SDA线，回传主机一位ACK信号；或拉高SDA线，回传主机一位NACK信号。

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数据帧格式

IIC通信由起始信号、地址帧、应答信号（ACK/NACK）、数据帧、停止信号组成。

  1. 起始条件（Start Condition）：SCL为高电平时，SDA从高电平跳变到低电平，标志一次传输开始。

  2. 地址帧（Address Frame）：7位地址模式下，主设备发送7位从设备地址+1位读写控制位（0：写，1：读）；10位地址模式（扩展模式）下分两次发送，第一字节前5位固定为11110，后接2位高位地址和读写位，第二字节为剩余8位地址。

  3. 应答信号（ACK/NACK）：每传输完一个字节（8位）后，接收方需在第9个时钟周期发送应答信号。ACK：SDA拉低，表示成功接收；NACK：SDA保持高电平，表示接收失败或传输结束。

  4. 数据帧（Data Frame）：数据按字节传输（8位），高位（MSB）在前，每个数据帧后必须跟随ACK/NACK信号。

  5. 停止条件（Stop Condition）：SCL为高电平时，SDA从低电平跳变到高电平，标志一次传输结束。

完整通信过程

主机写操作

  1. 主机产生并发送起始信号。

  2. 主机发送从机地址+写标志位（R/W=0）。

  3. 从机接收到地址后返回ACK应答信号。

  4. 主机发送要写入的寄存器地址。

  5. 从机接收到寄存器地址后返回ACK应答信号。

  6. 主机发送第一个数据字节。

  7. 从机接收到数据后返回ACK应答信号。

  8. 重复步骤6-7完成多个字节的写入。

  9. 主机发送停止信号结束通信。

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主机读操作

  1. 主机产生并发送起始信号。

  2. 主机发送从机地址+写标志位（R/W=0），用于设置寄存器地址。

  3. 从机接收到地址后返回ACK应答信号。

  4. 主机发送要读取的寄存器地址。

  5. 从机接收到寄存器地址后返回ACK应答信号。

  6. 主机再次发送起始信号（重复起始）。

  7. 主机发送从机地址+读标志位（R/W=1）。

  8. 从机接收到读请求后返回ACK应答信号。

  9. 从机开始发送数据字节。

  10. 主机接收到数据后发送ACK（继续读取）或NACK（结束读取）。

  11. 重复步骤9-10完成多个字节的读取。

  12. 主机发送停止信号结束通信。

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IIC的优缺点

优点：

  • 简化的硬件接口：只需要两条线（SDA和SCL）即可实现多个设备之间的通信。

  • 多主机能力：支持多个主机同时连接到同一总线上。

  • 同步通信：数据传输是时钟同步的，确保数据的准确性和一致性。

  • 可扩展性：允许通过增加更多的从设备来扩展系统。

  • 时钟伸展：支持时钟伸展功能，允许从设备在需要时暂停总线。

  • 广泛的支持：许多微控制器和外围设备都内置了对IIC的支持。

  • 可靠的应答机制：从设备通过ACK确认接收，保证数据可靠性。

缺点：

  • 速度限制：最高速率3.4 Mbit/s，低于SPI等高速协议。

  • 总线冲突：多主机系统中可能出现总线冲突。

  • 总线仲裁复杂性：多主机系统中需要复杂的仲裁机制。

  • 信号完整性问题：开漏输出结构在长距离传输或高速模式下可能影响信号质量。

  • 错误检测限制：没有内置的错误检测机制如CRC。

  • 总线负载能力：过多的从设备可能会导致总线响应变慢。

  • 软件复杂性：时序控制和错误处理相对复杂。

IIC与其他协议比较

特性

IIC

SPI

UART

通信方式

同步、半双工

同步、全双工

异步、全双工

信号线数量

2根（SDA、SCL）

4根（SCK、MOSI、MISO、CS）

2根（TX、RX）

寻址方式

7/10位地址

硬件片选（CS）

无（点对点）

多设备支持

多主多从

一主多从

点对点

速率

中（标准模式100 kbit/s，高速模式3.4 Mbit/s）

高（可达数十Mbit/s）

低（通常低于1 Mbit/s）

应答机制

有（ACK/NACK）

无

无

硬件复杂度

中等

中等

低

典型应用

低速多设备通信

高速外设通信

点对点通信

IIC的选择建议

适合选择IIC的场景

  • 多设备低速组网：主板内多个传感器、EEPROM等外设通信。

  • 引脚资源有限：仅需2根线即可连接多个设备。

  • 简单的设备控制：传感器、RTC、LED驱动等低速外设。

  • 需要地址识别：多个相同类型设备需要区分时。

  • 功耗敏感应用：支持低功耗模式和时钟伸展。

不适合选择IIC的场景

  • 高速数据传输：如视频、音频等大数据量应用。

  • 长距离通信：超过1米的板间通信。

  • 严格实时性要求：需要微秒级响应的控制系统。

  • 大量设备连接：超过10个设备可能导致总线负载过重。

  • 复杂的错误处理：需要高级错误检测和恢复机制。

IIC API

头文件

qosa_iic.h

函数概览

函数

说明

qosa_i2c_init()

初始化IIC配置

qosa_i2c_deinit()

释放IIC资源

qosa_i2c_write()

使用IIC发送数据

qosa_i2c_read()

使用IIC读取数据

函数详解

qosa_i2c_init

  • 功能描述
    初始化IIC配置。

  • 函数原型

qosa_i2c_error_e qosa_i2c_init(qosa_i2c_channel_e i2c_no, qosa_i2c_mode_e Mode)

  • 参数说明

参数名

输入/输出

类型

说明

i2c_no

输入

qosa_i2c_channel_e

需要初始化的IIC通道；详见 qosa_i2c_channel_e

Mode

输入

qosa_i2c_mode_e

配置IIC传输模式，如标准模式 QOSA_IIC_STANDARD_MODE；详见 qosa_i2c_mode_e

  • 返回值说明
    QOSA_I2C_SUCCESS：函数执行成功
    其他值（详见 qosa_i2c_error_e）：函数执行失败

qosa_i2c_deinit

  • 功能描述
    释放IIC资源。

  • 函数原型

qosa_i2c_error_e qosa_i2c_deinit(qosa_i2c_channel_e i2c_no)

  • 参数说明

参数名

输入/输出

类型

说明

i2c_no

输入

qosa_i2c_channel_e

需要释放的IIC通道；详见 qosa_i2c_channel_e

  • 返回值说明
    QOSA_I2C_SUCCESS：函数执行成功
    其他值（详见 qosa_i2c_error_e）：函数执行失败

qosa_i2c_write

  • 功能描述
    使用IIC发送数据。

  • 函数原型

qosa_i2c_error_e qosa_i2c_write(qosa_i2c_channel_e i2c_no, qosa_uint8_t slave, qosa_uint16_t addr, qosa_uint8_t *data, qosa_uint32_t length)

  • 参数说明

参数名

输入/输出

类型

说明

i2c_no

输入

qosa_i2c_channel_e

需要写入数据的IIC通道；详见 qosa_i2c_channel_e

slave

输入

qosa_uint8_t

需要写入数据的从机设备地址

addr

输入

qosa_uint16_t

需要写入数据的寄存器地址

data

输入

qosa_uint8_t *

需要写入的数据

length

输入

qosa_uint32_t

需要写入的数据长度；单位：字节

  • 返回值说明
    QOSA_I2C_SUCCESS：函数执行成功
    其他值（详见 qosa_i2c_error_e）：函数执行失败

qosa_i2c_read

  • 功能描述
    使用IIC读取数据。

  • 函数原型

qosa_i2c_error_e qosa_i2c_read(qosa_i2c_channel_e i2c_no, qosa_uint8_t slave, qosa_uint16_t addr, qosa_uint8_t *data, qosa_uint32_t length)

  • 参数说明

参数名

输入/输出

类型

说明

i2c_no

输入

qosa_i2c_channel_e

需要读取数据的IIC通道；详见 qosa_i2c_channel_e

slave

输入

qosa_uint8_t

需要读取数据的从机设备地址

addr

输入

qosa_uint16_t

需要读取数据的寄存器地址

data

输出

qosa_uint8_t *

用于接收读取的数据

length

输入

qosa_uint32_t

需要读取的数据长度；单位：字节

  • 返回值说明
    QOSA_I2C_SUCCESS：函数执行成功
    其他值（详见 qosa_i2c_error_e）：函数执行失败

枚举定义

qosa_i2c_channel_e

IIC通道枚举定义如下：

typedef enum
{
    QOSA_I2C_0 = 0,
    QOSA_I2C_1,
    QOSA_I2C_2,
    QOSA_I2C_3,
} qosa_i2c_channel_e;

成员

说明

QOSA_I2C_0

IIC通道0

QOSA_I2C_1

IIC通道1

QOSA_I2C_2

IIC通道2

QOSA_I2C_3

IIC通道3

qosa_i2c_mode_e

IIC传输模式枚举定义如下：

typedef enum
{
    QOSA_IIC_SLOW_MODE = 1,
    QOSA_IIC_STANDARD_MODE = 2,
    QOSA_IIC_FAST_MODE = 3,
    QOSA_IIC_FAST_PLUS_MODE = 4,
    QOSA_IIC_HIGH_SPEED_MODE = 5,
} qosa_i2c_mode_e;

成员

说明

QOSA_IIC_SLOW_MODE

慢速模式；速率：50 kbit/s

QOSA_IIC_STANDARD_MODE

标准模式；速率：100 kbit/s

QOSA_IIC_FAST_MODE

快速模式；速率：400 kbit/s

QOSA_IIC_FAST_PLUS_MODE

快速+模式；速率：1 Mbit/s

QOSA_IIC_HIGH_SPEED_MODE

高速模式；速率：3.4 Mbit/s

qosa_i2c_error_e

IIC操作错误码枚举定义如下：

typedef enum
{
    QOSA_I2C_SUCCESS = 0,
    QOSA_I2C_EXECUTE_ERR = 1 | QOSA_I2C_ERRCODE_BASE,
    QOSA_I2C_INVALID_PARAM_ERR,
    QOSA_I2C_INIT_ERR,
    QOSA_I2C_RELEASE_ERR,
    QOSA_I2C_WRITE_ERR,
    QOSA_I2C_READ_ERR,
} qosa_i2c_error_e;

成员

说明

QOSA_I2C_SUCCESS

函数执行成功

QOSA_I2C_EXECUTE_ERR

IIC执行错误

QOSA_I2C_INVALID_PARAM_ERR

参数无效

QOSA_I2C_INIT_ERR

初始化失败

QOSA_I2C_RELEASE_ERR

释放失败

QOSA_I2C_WRITE_ERR

写入失败

QOSA_I2C_READ_ERR

读取失败

应用逻辑流程图

image

示例代码

完整示例代码请查看 https://github.com/UniRTOS/UniRTOS-Doc-Examples/blob/main/peripheral/i2c/iic_demo.c