玩单片机的朋友都知道IIC通信这个工具，但好多人只是会用，内部的原理不求甚解，或是想要了解其原理，但却对抽象的时序描述一头雾水。本文将从实测的IIC波形入手，带你看到真实的IIC样子，进而去理解IIC的通信原理。1 IIC基础知识首先复习一下IIC基础知识，这部分看不懂的请先带着疑问，然后我们通过分析IIC的真实波形，这些疑问可能就豁然开朗了~1.1 IIC是什么IIC(Inter Integrated Circuit，集成电路总线)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。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。在 CPU (单片机)与IIC模块之间、IIC模块与IIC模块之间进行双向传送。IIC的一些特点：IIC是半双工，而不是全双工IIC是真正的多主机总线，（对比SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏起始和终止信号都是由主机发出的，连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号在起始信号后必须发送一个7位从机地址+1位方向位，用“0”表示主机发送数据，“1”表示主机接收数据。每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要注：实际使用中，一般是单片机作为主机，其它器件作为从机，单片机先向器件发送信息表示要读取数据，之后转变传输方向，器件发送数据到单片机。1.2 IIC物理连接使用IIC通信的IIC器件有很多，比如陀螺仪加速度计MPU6050，EEPROM存储芯片AT24C02等，通过IIC总线，可以与单片机之间进行数据传输。IIC通信线只有只有两根，数据线SDA的高低电平传输2进制的数据，时钟线SCL通过方波信号提供时钟节拍多个IIC器件可以并联在IIC总线上，每个器件有特定的地址，分时共享IIC总线实际使用IIC当然还要连接电源以及共地哦1.3 IIC时序网上查找IIC的基础知识，可能会搜到这样的时序图：看起来好复杂的样子，这时可能一部分人就放弃思考了。1.3.1 IIC起始结束信号好吧，换个简单点的图，你也可能会搜到这样的图：这张图看起来更简单一些，描述了IIC的起始和停止条件：起始：时钟线SCL为高时，数据线SDA由高到低停止：时钟线SCL为高时，数据线SDA由低到高注：SDA和SCL同时为高时，为IIC总线的空闲状态1.3.2 IIC应答再来看下面这张图：这表示IIC的应答机制下面的波形：SCL，主机产生的时钟脉冲上面的波形：SDA，主机发送的8位数据中间的波形：SDA，从机在第9个时钟信号进行拉低回应，表示收到了主机发来的数据，拉高则表示不应答注：实际上，上面和中间是同样的SDA线，这里只是分开示意。因为IIC应答是一种相互关系，单片机发数据给IIC器件，IIC器件要进行应答，表示收到了数据，同样，单片机接收IIC器件的数据后，也要给IIC器件一个应答。既然发送完都需要对方回应，那什么时候使用不应答呢？就是在读取到本次数据后，如果不需要继续读取，则发送非应答，对方以为你没收到这次数据，则就不会继续发送了。1.3.3 IIC完整传输时序开始标志（S）发出后，主设备会传送一个7 位的Slave 地址，并且后面跟着一个第8位，称为Read/Write 位。R/W 位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。然后，主设备释放SDA 线，等待从设备的应答信号（ACK）。每个字节的传输都要跟随有一个应答位。应答产生时，从设备将SDA 线拉低并且在SCL 为高电平时保持低。数据传输以停止标志（P）结束，然后释放总线。但主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备，而不发出结束标志。所有的SDA 信号变化都要在SCL 时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志1.4 常用的数据收发方式(时序)上面1.3小节是IIC的基础时序，在实际使用中，一般是对某个IIC器件的某个寄存器进行读写操作，因此，对于寄存器的读写操作，还要遵循下面的组合时序逻辑。1.4.1 写一个字节用于对IIC器件某个寄存器的配置，如对MPU6050的某些参数进行设置。写寄存器时，主设备除了发出开始标志和地址位，还要加一个R/W 位，0 为写，1 为读在第9 个时钟周期（高电平时），MPU6050 产生应答信号主设备开始传送寄存器地址，并接到应答然后开始传送寄存器数据，仍然要有应答信号最后主设备发送停止信号。1.4.2 连续写多个字节对连续地址的写入，这个用的较少。通信时序与上面的“写一个字节”类似，上面是写一个字节后就停止了，若要连续写，则继续写即可，只要可以收到从机Ack。1.4.3 读一个字节用于读取IIC器件某个寄存器的数值。首先由主设备产生开始信号，然后发送从设备地址位和一个写数据位，等待应答然后发送寄存器地址，才能开始读寄存器收到应答信号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备地址位和一个读数据位然后，作为从设备的MPU6050 产生应答信号并开始发送寄存器中的数据通信以主设备产生的拒绝应答信号（nACK）和结束标志（Stop）结束拒绝应答信号（nACK）产生定义为SDA 数据在第9 个时钟周期一直为高1.4.4 连续读多个字节也是用于读取IIC器件某个寄存器的数值，当某些数据一位字节不够表示，或有一组连续的数据需要读时，可以使用该模式。通信时序与上面的“读一个字节”类似，上面是读一个字节后就nAck叫停，若要连续写，则发送Ack，直到不需要继续读时再回复nAck。复习了这么多，之前对IIC懵懵懂懂的是否依然犯迷糊，好了，现在从理论进入实践，看看真实的IIC是什么样子。2 初识IIC真实波形下面这张图是通过示波器抓取的IIC波形，可以看到：时钟线SCL是一种间歇性的方波（需要通信时才产生方波）数据线SDA根据SCL提供的节拍，高电平代表数据1，低电平代表数据0没有数据传输时，SDA和SCL均为高电平状态起始信号后，数据是9个一组，包括8位的数据和另一方的1位回应图中红色数字表示单片机发送的8位数据，黄色数字表示IIC器件回应的信号，低电平0表示器件收到了单片机发来的数据。现在对IIC波形有没有多了一些直观的认识？下面再进入编程阶段，看看程序是怎么控制这两根线的。3 编写IIC通信函数IIC通信可以使用单片机自带的硬件IIC，它提供了固定的引脚接口和函数库。也可以自己通过软件编写来实现IIC时序，这时就可以任选引脚，也方便其它硬件平台的移植。下面通过软件IIC的编写，从软件角度理解IIC通信逻辑。以下函数都是单片机在执行，即主机发出的动作，所以一定要从单片机的角度思考哦~另外，不要看到程序就匆匆掠过，为帮助理解，我对代码进行了一定的注解，仔细分析每条代码，想想与IIC的逻辑如何对应起来，IIC逻辑还没懂的，读完本篇，分析过真实的IIC波形后，再来看看代码，会有不一样的体会。3.1 起始IIC_Start()//==================================
//产生IIC起始信号
//==================================
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
//sda线输出
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
//时钟线为高时
delay_us(2);
IIC_SDA=0;
//数据线由高到低
delay_us(4);
IIC_SCL=0;
//时钟线拉低，钳住IIC总线，准备发送数据
}最后一句SCL拉低，然后就准备产生时钟信号，发送数据了。3.2 停止IIC_Stop()//==================================
//产生IIC停止信号
//==================================
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();
//sda线输出
IIC_SCL=0;
//确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
delay_us(2);
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
//时钟线为高时
IIC_SDA=1;
//数据线由低到高
delay_us(4);
}停止前也要确保SCL是拉低的状态。最后SDA和SCL都为高，即释放IIC总线，IIC总线进入空闲状态。3.3 等待应答IIC_wait_Ack()//==================================
//等待应答信号到来
//用于发送模式下，发送8位后，等待器件应答第9位
//返回值：1，接收应答失败
//
0，接收应答成功
//==================================
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN();
//SDA设置为输入
IIC_SDA=1;delay_us(1);
//SDA先拉高，若被从机拉低则说明收到应答信号
IIC_SCL=1;delay_us(1);
//SCL拉高，产生第9位的脉冲
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出0
//SCL拉低，结束第9位的脉冲
return 0;
}在一定是时间内检测SDA是否被从机拉低，被拉低则说明从机收到了数据。3.4 产生应答IIC_Ack()//==================================
//产生ACK应答
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后，在第9位给出一个应答，我还要继续读
//==================================
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
//确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
SDA_OUT();
//SDA由读取改为发送
delay_us(2);
IIC_SDA=0;
//拉低SDA，表示应答
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
//SCL先上升
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
//SCL再下降，形成一个脉冲，应答才生效
}单片机在接收器件数据后，进行回应，表示接收到了器件的数据。该函数用在连续读取多个字节时，每读完一个字节(8位)，产生回应，表示还要进行读，这时器件就可以继续发数据了。当单片机不需要继续读，如连续读的最后一个字节，或只读一个字节，单片机发送非应答信号，这时器件以为单片机没有收到数据，接下来就不会再发数据了。非应答函数如下，就是拉高SDA：3.5 不产生应答IIC_nAck()//==================================
//不产生ACK应答
//用于读取模式(SDA为in)读了8位器件数据后，在第9位给出一个应答，我不想读了
//==================================
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
//确保时钟线为低时，数据线才能变化为0，否则这就可能成起始信号了！
SDA_OUT();
//SDA由读取改为发送
IIC_SDA=1;
//拉高SDA，表示不应答
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
//SCL先上升
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
//SCL再下降，形成一个脉冲，不应答才生效
}3.6 IIC发送一个字节//==================================
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答
//==================================
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
//SDA发送模式
IIC_SCL=0;
//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; //SDA高低电平表示数据1和0
txd<<=1;
delay_us(2);
//对TEA5767这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
//SCL先上升
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
//SCL再下降，形成一个脉冲，发送一位数据生效
delay_us(2);
}
}发送一个字节，就是分8次循环，产生8个时钟信号，并将SDA赋值为0或1。3.7 IIC读取一个字节//==================================
//读1个字节
//ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
//==================================
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();
//SDA输入模式
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
//SCL先下降，通过循环，形成时钟脉冲
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
//SCL上升
receive<<=1;
if(READ_SDA)
receive++;
//读取并组合记录数据，++表示读到1了，最低位置1
delay_us(1);
}
//读取8位后，主机需要变为发送模式，在第9位进行应答或不应答
//此时CLK还是高电平状态，不过下面的应答会先将CLK拉低的
if (!ack)
{
//读1个字节，或读多个字节读到最后一个字节时，使用nACK
//然后配合使用IIC停止信号
IIC_NAck();//发送nACK
}
else
{
//读多个字节还没读完时，使用ACK，表示现在读的ok，还要继续读
IIC_Ack(); //发送ACK
}
return receive;
}读取一个字节，也是分8次循环，产生8个时钟信号，并读取SDA的高低电平信号，最后，根据要不要继续读下一个字节，发送第9位的Ack或nACK。4.1
真实IIC波形详细分析4.1.1 读取从机数据（单字节读）这张图展示IIC读某个器件的寄存器的一个字节的真实波形（注：实际是读了2个不同寄存器的值，每个寄存器读了1个字节，所以，可以先只看前半部分哦~），我已对波形进行了详细的注解。对照着图，再来温习一下各个信号的特点：起始信号：时钟线SCL为高时，数据线SDA由高到低停止信号：时钟线SCL为高时，数据线SDA由低到高数据信号：连续的8位，每一个SCL脉冲时钟对应的SDA，高电平为数据1，低电平为数据0应答信号：第9位(数据信号后)，由对方产生的回应，0为产生回应，1为不产生回应这幅图中，单片机先产生起始信号，然后发送7位器件地址+1位写标志(绿色的0)，并等待从机回应(从机拉低SDA表示收到数据)，接着发送8位寄存器地址，并等待从机回应。然后，单片机先再次产生起始信号，发送7位器件地址+1位读标志(绿色的1)，并等待从机回应。从机收到读的信号后，从机开始发送8位数据，主机接收到数据后，主机发送nAck不应答信号（图中的Ack(1)，主机将SDA拉高，从机则认为主机刚才没有收到它发送的数据，从机将不再继续发送），接着主机发送结束信号，读取完成。此图后半部分是以相同方式读了另一个寄存器的值。上图中，SCL信号都是由单片机产生，SDA信号由单片机和IIC器件(从机)共同产生，当需要对IIC器件的寄存器写时，单片机产生SDA数据，当需要读取IIC器件的寄存器数据时，改变传输方向，IIC器件产生SDA数据。对于主机和从机什么时候控制SDA，还可以参考这个图帮助理解：4.1.2 读取从机数据（多字节读）上面是单字节读的波形，再来看看多字节的波形，前面的写器件地址、写寄存器地址1与单字节读一样，这张图只显示了后面不一样的部分，主要区别在于单片机接收到数据1后，产生低电平的应答，从而可以继续读取数据2。（注意，因为传感器这次测得的数据不一样，所以读出的数据也不一样哦~）注：以上的IIC真实波形，是使用是硬件IIC，自己编写的软件IIC测得的波形，可能在两个信号的前后延时时间上稍有差别，但整体的时序逻辑肯定是一样的。4.1.3 配置从机寄存器（单字节写与多字节写）对于寄存器的配置，也就是IIC的写寄存器操作，我就不放图了，参考上面的“常用的数据收发方式(时序)”以及上面的IIC读寄存器的真实波形，IIC的写寄存器的真实波形，应该可以脑补出哦，哈哈~最后通过真实的IIC波形分析，对IIC通信逻辑有没有更加直观的认识呢？原创不易，觉得有用请多多关注支持~

首先要明确的是两张读写的协议图，后续要严格按照协议来写程序就可以了。读时序下面就以AT24Cxx为例详细说明一下：首先发出一个start信号，从设备地址，R/W（0，写），回应ACK表示有这个从设备存在。这时候是处理器从指定的从设备读数据的从设备里8bit存储地址的指定。所以这里R/W是0为写。ACK回应有这个设备的话，处理器把要访问的从设备里的8bit存储地址写好。ACK对方回应。继续一个start信号+从设备地址，最低位是高电平表示读数据，回应ACK表示有这个从设备存在。在读数据的时候，每发出一个时钟，处理器会SDA上的数据存起来。那么发出8个时钟后处理器就能得到8位的数据。这时候若想连续读就不断回应ACK信号否则就发出停止信号。读的过程：start信号，从设备地址，写，待读取存储地址，再一个start信号，从设备地址，读，8个时钟，从设备就把对应的数据反馈给处理器。写时序start信号，哪一个设备地址，写，紧跟连续两个字节的数据：要写的地址，对方收到8bit地址后回应ACK，再8bit数据发给从设备，对方收到8bit数据后回应ACK，处理器写完后发送停止信号。要点：读写时序要有相应的ack信号。（此处可查询ack信号时怎么产生的）读写设备地址和数据时是不一样的。 设备地址（一般小的）是7位的地址，最后一位如果为0表示写如果为1表示读。 而数据寄存器的话，读写可能是先写一个读写的指令如0xA0等，然后直接写入8位的数据地址。 这两个区别要格外注意