【知识分享】IIC协议详解

一、简介

    I²C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线，也可以写成IIC）是一种由飞利浦公司开发的双向二线制串行通信总线，只通过一根串行数据线（SDA）和一根串行时钟线（SCL），就能让主板、外围设备（如传感器、存储器）等芯片之间实现数据传输，具有硬件结构简单、占用引脚少、支持多设备挂载和热插拔等特点，在嵌入式系统中应用广泛。

二、发展历史

起源与专利阶段（1982 年）
由荷兰飞利浦（Philips）公司于 1982 年开发，最初用于连接主板与外围芯片（如 EEPROM、传感器），解决多设备通信时引脚占用问题。
1980 年代至 2000 年，I²C 作为飞利浦专利技术，广泛应用于消费电子（如电视机、音响）和嵌入式系统。
标准化与开放（2000 年后）
2006 年，飞利浦将 I²C 技术贡献给 JEDEC（固态技术协会），成为开放式标准（JESD42-B），推动其在物联网、穿戴设备等领域普及。
技术迭代：从最初的标准模式（100kbps）发展出快速模式（400kbps）、高速模式（3.4Mbps）及超高速模式（5Mbps），满足不同场景需求。

三、内容详解

3.1 物理层特性

双线结构：
SDA（串行数据线）：传输数据，双向通信。
SCL（串行时钟线）：主机提供时钟信号，同步数据传输。
电气特性：
采用开漏输出，需外接上拉电阻（通常 4.7kΩ），默认高电平。
工作电压兼容 3.3V/5V 系统，传输距离通常 < 1 米（受电容负载限制）。

3.2 数据链路层协议

3.2.1 空闲状态

    SCL与SDA均为高电平。

3.2.2 起始与结束

起始：SCL为高电平时，SDA由高变低，表示开始传输；
结束：SCL为高电平时，SDA由低变高，表示结束传输。

3.2.3 收发数据

    从上文也可得知，正常收发数据时，SDA要翻只能在SCL为低的时候进行。当需要发送一个字节的数据时，先拉低SCL，根据要发送的第一位数据（高位优先）拉高/拉低SDA，然后拉高SCL，保持一段时间，完成第一位的发送，以此循环8次。

3.2.4 应答

    在主机发送完一个字节的数据后，需要等待从机回复一个应答信号，正常做法是在第8个SCL高电平拉低后，释放SDA信号线（由外部上拉自行拉成高电平），然后拉高SCL，等待从机控制SDA线，如果在第9个SCL高电平保持期间，读取到SDA线为低电平，则认为接收到从机的应答；否则为无应答。

四、应用及对比

    常见的串行通信有IIC、UART、SPI、CAN等，下面直接用一张表来展示各种串口的区别。

对比维度	I²C	UART（串口）	SPI	CAN
引脚数量	2 根（SDA+SCL）	2 根（TX+RX）	4-5 根（MOSI+MISO+SCK+CS）	2 根（CAN_H+CAN_L）
传输模式	半双工（同一时刻单向传输）	全双工（收发独立）	全双工（同步收发）	半双工（差分信号）
最高速度	超高速模式 5Mbps	通常 115.2kbps-4Mbps	可达数十 Mbps（如 30Mbps）	最高 1Mbps（高速 CAN）
拓扑结构	多主多从（需仲裁机制）	点对点	一主多从（需 CS 片选）	总线型（多节点共享总线）
地址寻址	7/10 位地址，自动寻址	无地址（需软件协议定义）	靠 CS 片选指定从机	靠 ID 号仲裁（非地址寻址）
典型应用	传感器、EEPROM、低速外设互联	串口通信、调试接口、Modem	高速存储（SD 卡）、LCD 驱动	汽车总线、工业控制网络
优势	引脚少、多设备挂载简单	协议简单、传输距离较远（RS-485）	速度快、全双工、时序灵活	抗干扰性强、支持长距离和多节点
劣势	速度受限、仲裁机制复杂	无硬件寻址、多设备需软件管理	引脚多、多从机需多 CS 线	协议复杂、成本高

核心差异总结

I²C 的独特价值：以最少引脚实现多设备互联，适合 “轻量级” 数据交互（如传感器配置、少量参数读写），在低功耗、小数据量场景中不可替代。
与 SPI 的对比：SPI 速度更快但引脚多，适合高速批量数据传输（如 LCD 图像数据）；I²C 适合低速、多设备的 “碎片化” 通信。
与 UART 的对比：UART 无硬件寻址，多设备通信需额外协议设计，而 I²C 原生支持多从机自动寻址，硬件层面更简洁。

五、代码实现

    用IO口模拟IIC协议，这里就不单独写，直接贴一份github上的代码，这里也不全贴，只贴出模拟IIC几个阶段的IO口翻转方式，想看完整的主从机模拟，可以去原路径观摩，原路径https://github.com/daimaCoder/IIC_MS。

#define  IIC_SCL_H       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define  IIC_SCL_L       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define  IIC_SDA_H       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define  IIC_SDA_L       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET) 
#define  READ_SDA        HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, IIC_SDA_Pin)
#define  READ_SCL        HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, IIC_SCL_Pin)
#define  IIC_Delay       delay_us(4)    //IIC使用的延时，可通过改变延时，改变IIC传输速率
#define  Time_Count      250           //while等待超时计数,不可小于某个值，	最小值根据单片机时钟变化void IIC_Start(void)				//发送IIC开始信号
{IIC_SCL_H;IIC_SDA_H;IIC_Delay;IIC_SDA_L;IIC_Delay;IIC_SCL_L;
}void IIC_Stop(void)	  			//发送IIC停止信号	
{IIC_SCL_L;IIC_SDA_L;IIC_Delay;IIC_SCL_H;IIC_Delay;IIC_SDA_H;	
}void IIC_Ack(void)					//IIC发送ACK信号
{IIC_SCL_L;IIC_SDA_L;IIC_Delay;IIC_SCL_H;IIC_Delay;IIC_SCL_L;IIC_SDA_H; //添加释放总线}void IIC_NAck(void)				//IIC不产生ACK信号
{IIC_SCL_L;IIC_SDA_H;IIC_Delay;IIC_SCL_H;IIC_Delay;IIC_SCL_L;
}uint8_t IIC_Wait_Ack(void)				//IIC等待ACK信号	
{int time = 0;IIC_SDA_H;IIC_Delay;IIC_SCL_H;IIC_Delay;while(READ_SDA)     //等待应答信号{time++;if(time>Time_Count) //等待时间过长，产生停止信号，返回1，表示接收应答失败{//IIC_Stop();return 1;}}	IIC_SCL_L;   //应答成功，则SCL变低return 0;
}	void IIC_Send_Byte(uint8_t data)	 //IIC发送一个字节
{IIC_SCL_L;IIC_Delay;for(int i=0;i<8;i++)         //从高位开始一位一位地传送{		                        //发数据放到数据线上if((data & 0x80)>0)      //当前最高位为1IIC_SDA_H;            //拉高数据线elseIIC_SDA_L;data<<=1;             //数据左移一位IIC_Delay;IIC_SCL_H;IIC_Delay;IIC_SCL_L;          //上一个数据发送完毕，为下一个数据发送准备IIC_Delay;}
}	uint8_t IIC_Read_Byte(unsigned char ack)       //IIC读取一个字节	
{uint8_t read_Data = 0;
//	IIC_SDA_H;	                   //释放总线，此处不释放，另处释放for(int i=0;i<8;i++){IIC_SCL_L;IIC_Delay;IIC_Delay;IIC_SCL_H;        //主机开始读数据，从机不能再改变数据了，即改变SDA的电平read_Data<<=1;if(READ_SDA)read_Data++;IIC_Delay;}if(ack==0) //说明主机不需要给从机应答IIC_NAck();elseIIC_Ack();return read_Data;
}

六、注意事项

1、因为IIC协议本身是不具备任何校验的，所以如果想要保证通信数据的准确性，可以主从机协定好每传输一段数据后带一个校验，以此来验证数据有效性。
2、IIC协议本身很简单，没有太多的约束，所以在跟各种设备通信时，需要注意各自的协议及时序要求。另外因为IIC本身并没有让同一总线上多个设备同步的机制，如果出现主机与从机两个设备通信过程中，因某种异常导致主机复位重启，此时从机还处于接收或发送的状态中，此时可以通过发送 9 个时钟脉冲（SCL高 - 低循环），强制从机释放总线；另外检测SDA线状态，若为低电平则判定总线被占用，继续发送脉冲直至释放。

七、相关链接

【工具使用】STM32CubeMX-硬件IIC配置-实现EEPROM读写功能