概念

IIC（Inter-Integrated Circuit）协议，也常被称为TWI（Two-Wire Interface）协议，是一种用于短距离通信的串行总线，主要设计用于连接微控制器和其外围设备。IIC协议使用两根线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。这种通信方式允许多个设备共享同一总线，并且可以以主设备或从设备模式进行通信。

工作模式

主设备模式： 设备可以发送数据到其它设备，或者从其它设备接收数据。
从设备模式： 设备只能被主设备读取或写入数据。这种工作方式的优点在于，它可以简化系统设计，减少设备间的连接线，提高系统的可靠性。
I2C的另一种工作模式是多主设备模式。在这种模式下，总线上可以有多个主设备。这种模式可以提供更灵活的设备控制方式，但其实现相对复杂。如果两个主设备同时尝试控制总线，会发生冲突，必须通过仲裁机制解决。

在I2C总线上，每个设备都有一个唯一的地址，主设备通过这个地址来识别和访问从设备。这个地址通常是7位或10位，可以通过编程来设置。I2C总线使用两线进行通信，一线用于数据（SDA），另一线用于时钟（SCL）。

原理

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，因其简单易用而广泛应用于微控制器和各种外围设备之间的通信。I2C通信只需两条线路：数据线SDA和时钟线SCL。其中，SDA用于在设备之间传输数据，而SCL则提供时钟信号，控制数据传输的速度。

工作原理

I2C的工作原理很简单。在I2C通信中，主设备控制时钟线SCL，而数据线SDA用于在主设备和从设备之间双向传输数据。主设备通过SDA发送数据给从设备，同时使用SCL产生时钟信号，从设备根据时钟信号读取SDA上的数据。反过来，从设备也可以在主设备的控制下，通过SDA发送数据给主设备。

工作流程

以下是I2C通信的一般工作流程：

• 主设备产生开始信号： 主设备通过将SDA从高电平拉低到低电平，同时保持SCL处于高电平，来产生开始信号。这个信号会被所有从设备检测到，从而知道I2C通信即将开始。
• 主设备发送地址： 主设备发送一个7位的地址（有些设备可能是10位地址），这个地址用于指示要通信的从设备。地址后面还跟着一个位，用于指示主设备是要读取从设备的数据，还是要向从设备写入数据。
• 从设备响应： 如果从设备检测到自己的地址，它就会在SDA上产生一个低电平的应答信号，以告诉主设备它已经准备好了。
• 数据传输： 主设备和从设备开始互相传输数据。每传输完8位数据，接收方就需要产生一个应答信号。
• 主设备产生停止信号： 数据传输完成后，主设备会产生一个停止信号，以结束I2C通信。停止信号是通过将SDA从低电平拉高到高电平，同时保持SCL处于高电平来产生的。

IIC协议的关键特点

• 两线制通信： 如上所述，IIC协议使用SDA和SCL两根线进行通信。
• 多主多从： 总线上可以有多个主设备和多个从设备。主设备负责生成时钟信号并开始通信，从设备响应主设备的请求。
• 地址寻址： 每个从设备都有一个唯一的地址。当主设备想要与特定的从设备通信时，它会发送这个地址。
• 数据传输速率： IIC协议定义了不同的速度标准，包括标准模式（最高100 kbps）、快速模式（最高400 kbps）、快速模式加（最高1
  Mbps）和高速模式（最高3.4 Mbps）。
• 应答机制： 在数据传输过程中，接收方需要发送一个应答（ACK）信号来确认数据已成功接收。如果接收方没有发送ACK，发送方将停止传输。
• 仲裁和冲突检测： 如果两个主设备尝试同时控制总线，IIC协议通过仲裁机制来决定哪个设备继续控制总线。此外，协议还包含冲突检测机制，以确保数据的完整性。
• 支持不同类型的传输： IIC协议支持不同类型的数据传输，如字节传输、字传输和块传输。
• 可扩展性： 理论上，IIC总线可以连接很多设备，但实际上受到总线电容和信号衰减的限制。

IIC通信过程

• 启动条件： 主设备通过设置SDA为高电平，然后在SCL为高电平时将其拉低来产生启动条件。
• 地址和读/写位： 主设备发送7位从设备地址，后面跟随一个读/写位（0表示写操作，1表示读操作）。
• 应答位： 从设备通过拉低SDA来发送ACK（如果准备好接收或发送数据）或NACK（如果无法响应请求）。
• 数据传输： 数据以8位字节传输，每个字节后面跟随一个ACK或NACK位。
• 停止条件： 主设备通过在SCL为高电平时将SDA从低电平拉高来产生停止条件，表示通信结束。
• 时钟同步： SCL线上的时钟信号用于同步数据传输，确保数据在SDA线上稳定后发生变化

优点与缺点

优点

• 硬件资源节约： IIC协议只需要两条线（SDA数据线和SCL时钟线）来完成通信，大大减少了所需引脚数量，从而节省了硬件资源。
• 支持多主多从设备： IIC协议允许多个主设备和多个从设备在同一总线上通信，增强了系统的灵活性和可扩展性。
• 简单的时序控制： IIC协议的时序逻辑相对简单，易于软件实现和硬件设计，降低了开发难度。
• 易于实现和调试： 由于其协议规范明确，通信过程直观，因此在实际应用中容易实现和故障排查。
• 广泛应用： IIC协议因其上述优势，被广泛应用于各种微控制器、传感器、显示器等设备之间的通信。

缺点

• 传输速率有限： 标准模式下IIC的最大传输速率为100kbps，高速模式下可达400kbps，但对于某些高速数据传输应用而言，这样的速率可能不够。
• 总线长度和负载限制： IIC总线上的设备数量和总线的物理长度受限，过长的总线或过多的挂载设备会导致信号衰减和干扰问题，影响通信稳定性。
• 缺乏错误检测和纠正机制： 虽然有ACK/NACK机制来确认数据传输，但在噪声环境下，IIC协议缺乏有效的错误检测和纠正机制，可能影响数据的完整性。
• 半双工通信： IIC协议是半双工的，意味着数据线在某一时刻只能进行发送或接收，不能同时进行，这限制了数据交换的效率。
• 不支持多点广播： IIC协议不支持多点或多播通信，每一个数据包都必须明确指定一个单独的从设备地址，这在需要广播消息到多个设备的场景下不太适用。