对IIC总线的理解、调⽤函数以及常见⾯试问题
⼀、IIC 总线概述：
IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线）
I2C总线是PHLIPS公司推出的⼀种串⾏总线， I2C总线只有两根双向信号线。⼀根是数据线SDA，另⼀根是时钟线SCL。
每个接到I2C总线上的器件都有唯⼀的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。
⼆、IIC 总线通信协议：
要掌握IIC的通信协议，需要掌握以下6个通信信号：
1.起始信号
2.终⽌信号
3.写数据
4.读数据
5.应答信号
6.⾮应答信号
起始和终⽌信号
SCL线为⾼电平期间，SDA线由⾼电平向低电平的变化表⽰起始信号；SCL线为⾼电平期间，SDA线由低电平向⾼电平的变化表⽰终⽌信号。
应答信号
IIC 总线协议规定，每传送⼀个字节数据后，都要有⼀个应答信号以确定数据传送是否被对⽅收到。应答信号由接受设备产⽣，在SCL为⾼电平期间，接受设备将SDA拉低为低电平，表⽰数据传输正确，产⽣应答（ACK）
数据传送
I2C总线进⾏数据传送时，时钟信号为⾼电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的⾼电平或低电平状态才允许变化。
根据AT24C02的芯⽚，可编写以下信号函数程序：
//1.起始信号 SCL线为⾼电平期间，SDA线由⾼电平向低电平的变化表⽰起始信号；
void IIC_Start(void)
{
SDA = 1;
SCL = 1;
delay_us(1);  //15us    >> 4.7us
SDA = 0;
delay_us(1);
SCL = 0;
}
/
/2.终⽌信号 SCL线为⾼电平期间，SDA线由低电平向⾼电平的变化表⽰终⽌信号。
void IIC_Stop(void)
{
SDA = 0;
SCL = 1;
delay_us(1);  //15us    >> 4.7us
SDA = 1;
delay_us(1);
SCL = 0;
}
void IIC_SendByte(unsigned char dat)  //3.写数据
{
unsigned char i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if((dat<<i)&0x80)
SDA = 1;
}
else
{
SDA = 0;
}
SCL = 1;      //开始让数据维持稳定
delay_us(1);
SCL = 0;
delay_us(1);
}
SDA = 1; //释放总线，发送完8位，主机置⾼电平
SCL = 1;
delay_us(1);
if (SDA)        //SDA 低电平从机回馈低电平
{
ack = 0;  //0 == ack  代表⽆ack信号，从机不应答，发送不成功
}
else
{
ack = 1;  //从机应答，发送成功
}
SCL = 0;
delay_us(5);
}
unsigned char IIC_RecvByte(void)  //4. 读数据
{
unsigned char i, temp;
SDA = 1;              //保险⾼的与上低的是低的，线与
for (i = 0; i < 8; i++)
{
SCL = 0;      // 告诉数据可以变化      SDA  脉冲线
//只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的⾼电平或低电平状态才允许变化。
delay_us(1);
SCL = 1;      // 数据保持稳定，开始读
delay_us(1);
temp<<=1;
if (SDA)
{
temp = temp + 1;
}
}
SCL = 0;
delay_us(10);
return temp;
}
void IIC_ACK(void)        //5. 应答信号
{
SDA = 0;
recv函数SCL = 1;
delay_us(1);
SCL = 0;
}
void IIC_NOACK(void)      //6. ⾮应答信号
{
SDA = 1;
SCL = 1;
delay_us(1);
SCL = 0;
}
根据时序图，可编写24C02的读写函数程序：
unsigned char AT24CXX_WriteStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num) {
unsigned char i;
IIC_Start();
IIC_SendByte(devaddr);
if (0 == ack)
{
return 0;
}
IIC_SendByte(romaddr);
if (0 == ack)
{
return 0;
}
for (i = 0; i < num; i++)
{
IIC_SendByte(*s);
if (0 == ack)
{
return 0;
}
s++;
}
IIC_Stop();
return 1;
unsigned char AT24CXX_ReadStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num)
{
unsigned char i;
IIC_Start();
IIC_SendByte(devaddr);
if (0 == ack)        //⽆应答返回0 失败
{
return 0;
}
IIC_SendByte(romaddr);
if (0 == ack)
{
return 0;
}
IIC_Start();
IIC_SendByte(devaddr + 1);
if (0 == ack)
{
return 0;
}
for (i = 0; i < num - 1; i++)
{
*s = IIC_RecvByte();
IIC_ACK();
s++;
}
*s = IIC_RecvByte();
IIC_NOACK();
IIC_Stop();
return 1;
}
三、有关 IIC 总线常见⾯试题：（参考）
介绍⼀下你了解的I2C？
I2C总线是飞利浦（PHLIPS）公司推出的⼀种串⾏总线，⽤于连接微控制器及其外围设备， I2C串⾏总线有两根双向信号线。⼀根是数据线SDA，另⼀根是时钟线SCL。它仅通过两根信号线就可以完成对所有挂载在I2C总线上的从器件进⾏操作。这样的好处是可以⼤⼤的节省我们微处理器的IO⼝资源。
I2C到底可以挂载多少个器件呢？
答：IIC协议规定，在启动总线后第1字节的⾼7位是从节点的寻址地址，其中⾼四位为器件类型识别符，接着三位为⽚选，最后⼀位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作，所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定，7位寻址地址减去1个⼴播地址0x00不⽤，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127个地址，所以理论上可以挂127个从器件。
I2C如何同时挂载多个同⼀种器件（地址相同的器件）？
答：理论上是不会这样设计的，如果⼀定要这样做的话，可以通过硬件上设计，控制器件是否挂载总线来实现（⽅法可⽤⼀个开关电路切断器件SDA或者SCL是否接⼊总线来实现）
I2C总线的主机与从机之间是如何通信的呢？
I2C总线的主机与从机之间的通信主要和I2C的时序有关。在通信开始的时候SCL与SDA都置为⾼电平，此时为总线空闲时间。当SCL为⾼电平期间SDA的电平被拉低，标志这总线的启动。当SCL为⾼电平期间SDA的电平被拉⾼，标志这总线的终⽌。在进⾏数据传送时，SCL为⾼电平期间，SDA上的数据必须保持稳定，只有在SCL的信号为低电平时，SDA上的⾼电平才允许变化。所以只要我们根据芯⽚⼿册正确的写好IIC的时序，按时序发送器件地址（不同的器件的地址不同）以及数据，就可以使主机与从机之间通信。
I2C总线的仲裁你知道吗？
总线上可能挂接有多个器件，有时会发⽣两个或多个主器件同时想占⽤总线的情况，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能⼒，可以对发⽣在SDA线上的总线竞争进⾏仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占⽤总线时，如果某个主器件发送⾼电平，⽽另⼀个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将⾃动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进⾏的。⾸先是地址位的⽐较，如果主器件寻址同⼀个从器件，则进⼊数据位的⽐较，从⽽确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利⽤I2C总线上的信息进⾏仲裁，因此不会造成信息的丢失。
I2C时钟信号（SCL）的同步问题
在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由⾼电平到低电平的跳变将影响到这些器件，⼀旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线⼀直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低⾄⾼的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进⼊⾼电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为⾼电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回⾼电平，即所有的器件都同时开始它们的⾼电平期。其后，第⼀个结束⾼电平期的器件⼜将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产⽣⼀个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，⽽时钟⾼电平时间由时钟⾼电平期最短的器件确定。
I2C总线的其他注意点
1、进⾏数据传送时，在SCL为⾼电平期间，SDA线上电平必须保持稳定，只有SCL为低时，才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是⾼位在前。
2、对于应答信号，ACK=0时为有效应答位，说明从机已经成功接收到该字节，若为1则说明接受不成功。
3、如果从机需要延迟下⼀个数据字节开始传送的时间，可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进⼊等待状态。
4、主机完成⼀次通信后还想继续占⽤总线在进⾏⼀次通信，⽽⼜不释放总线，就要利⽤重启动信号Sr。它既作为前⼀次数据传输的结束，⼜作为后⼀次传输的开始。
5、总线冲突时，按“低电平优先”的仲裁原则，把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。
6、在特殊情况下，若需禁⽌所有发⽣在I2C总线上的通信，可采⽤封锁或关闭总线，具体操作为在总线上的任⼀器件将SCL锁定在低电平即可。
7、SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，⽽是同时进⾏的。
I2C的基础概念和框架
⼀、IIC 基础概念
IIC(Inter－Integrated Circuit)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总线产⽣于在80年代，最初为⾳频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使⽤，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进⾏查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、⽹络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，⽅便了管理。
1、 IIC总线的特点
IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接⼝直接在组件之上，因此IIC总线占⽤的空间⾮常⼩，减少了电路板的空间和芯⽚管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可⾼达25英尺，并且能够以10Kbps的最⼤传输速率⽀持40个组件。IIC总线的另⼀个优点是，它⽀持多主控(multimastering)，其中任何能够进⾏发送和接收的设备都可以成为主总线。⼀个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有⼀个主控。
2、IIC总线⼯作原理
a -- 总线构成
IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串⾏总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进⾏双向传送，最⾼传送速率
100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机⼀样只有拨通各⾃的号码才能⼯作，所以每个电路和模块都有唯⼀的地址，在信息的传输过程中，IIC总线上并接的每⼀模块电路既是主控器（或被控器），⼜是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分：
1) 地址码⽤来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；
2) 控制量决定该调整的类别（如对⽐度、亮度等）及需要调整的量。
这样，各控制电路虽然挂在同⼀条总线上，却彼此独⽴，互不相关。
b -- 信号类型
IIC总线在传送数据过程中共有四种类型信号：
开始信号：SCL为⾼电平时，SDA由⾼电平向低电平跳变，开始传送数据；
结束信号：SCL为⾼电平时，SDA由低电平向⾼电平跳变，结束传送数据；
数据传输信号：在开始条件以后，时钟信号SCL的⾼电平周期期问，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表⽰数据有效，即数据可以被读⾛，开始进⾏读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要⼀个时钟脉冲。
应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表⽰已收到数据。CPU向受控单元发出⼀个信号后，等待受控单元发出⼀个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
⽬前有很多半导体集成电路上都集成了IIC接⼝。带有IIC接⼝的单⽚机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系
列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯⽚等也提供IIC接⼝。
3、总线基本操作
IIC规程运⽤主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以⼯作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产⽣串⾏时钟（SCL）控制总线的传输⽅向，并产⽣起始和停⽌条件。SDA线上的数据状态仅在SCL
为低电平的期间才能改变，SCL为⾼电平的期间，SDA状态的改变被⽤来表⽰起始和停⽌条件。
a -- 控制字节
在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中⾼四位为器件类型识别符（不同的芯⽚类型有不同的定义，EEPROM⼀般应为1010），接着三位为⽚选，最后⼀位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。
b -- 写操作
写操作分为字节写和页⾯写两种操作，对于页⾯写根据芯⽚的⼀次装载的字节不同有所不同。关于页⾯写的地址、应答和数据传送的时序。
c -- 读操作
读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后⼀个读操作的第9个时钟周期不
是“不关⼼”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停⽌条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为⾼电平、然后发出停⽌条件。
d -- 总线仲裁
主机只能在总线空闲的时候启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最⼩持续内产⽣⼀个起始条件，结果在总线上产⽣⼀个规定的起始条件。
当SCL线是⾼电平时，仲裁在SDA线发⽣：这样，在其他主机发送低电平时，发送⾼电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平和它⾃⼰的电平不同。
仲裁可以持续多位。从地址位开始，同⼀个器件的话接着就是数据位（如果主机-发送器），或者⽐较相应位（如果主机-接收器）。IIC总线的地址和数据信息由赢得仲裁的主机决定，在这个过程中不会丢失信息。
仲裁不能在下⾯情况之间进⾏：
1）重复起始条件和数据位；
2）停⽌条件和数据位；
3）重复起始条件和停⽌条件。
4、特性总结
IIC肯定是2线的(不算地线)IIC协议确实很科学,⽐3/4线的SPI要好，当然线多通讯速率相对就快了
IIC的原则是
a -- 在SCL=1(⾼电平)时,SDA千万别忽悠否则,SDA下跳则"判罚"为"起始信号S",SDA上跳则"判罚"为"停⽌信号P".
b -- 在SCL=0(低电平)时,SDA随便忽悠(可别忽悠过⽕到SCL跳⾼)
c -- 每个字节后应该由对⽅回送⼀个应答信号ACK做为对⽅在线的标志.⾮应答信号⼀般在所有字节的最后⼀个字节后.⼀般要由双⽅协议签定.
d -- SCL必须由主机发送，否则天下⼤乱
e -- ⾸字节是"⽚选信号"，即7位从机地址加1位⽅向(读写)控制.从机收到(听到)⾃⼰的地址才能发送应答信号(必须应答)表⽰⾃⼰在线.其他地址的从机不允许忽悠(当然呼可以忽悠但只能听不许说话)
f -- 读写是站在主机的⽴场上定义的."读"是主机接收从机数据,"写"是主机发送数据给从机.
g-- 重复位主要⽤于主机从发送模式到接收模式的转换"信号"，由于只有2线，所以收发转换肯定要⽐SPI复杂，因为SPI可⽤不同的边沿来收发数据,⽽IIC 不⾏.
h -- 在硬件IIC模块，特别是MCU/ARM/DSP等每个阶段都会得到⼀个准确的状态码，根据这个状态码可以很容易知道现在在什么状态和什么出错信息.
i -- 7位IIC总线可以挂接127个不同地址的IIC设备,0号"设备"作为呼地址.10位IIC总线可以挂接更多的10位IIC设备.
⼆、 Linux下IIC驱动架构
Linux定义了系统的IIC驱动体系结构，在Linux系统中，IIC驱动由3部分组成，即IIC核⼼、IIC总线驱动和IIC设备驱动。这3部分相互协作，形成了⾮常通⽤、可适应性很强的IIC框架。