IIC通信协议详解（一篇文章搞懂I2C原理、时序与读写流程）
一、前言
在嵌入式开发过程中，单片机经常需要和各种外部设备进行数据交互。
例如：
STM32读取MPU6050传感器数据
STM32驱动OLED显示屏
EEPROM保存设备参数
温湿度传感器采集环境数据
这些设备之间想要通信，就需要一种“交流语言”，这就是通信协议。
常见的嵌入式通信协议有：
UART
SPI
IIC（I2C）
CAN
RS485
其中，IIC是一种非常经典的板级通信协议，在传感器、显示屏、存储芯片中应用非常广泛。
很多刚学习嵌入式的小伙伴第一次接触IIC时，会遇到几个问题：
SCL是什么？
SDA是什么？
为什么IIC只有两根线？
为什么需要上拉电阻？
ACK到底有什么作用？
IIC读写流程是什么？
本文将从硬件结构、通信时序以及实际读写流程三个方面，带大家完整理解IIC。
二、什么是IIC？
IIC全称：
Inter-Integrated Circuit
中文叫：
集成电路间通信总线。
IIC最早由飞利浦公司提出，现在已经成为嵌入式开发中非常常见的一种通信方式。
IIC最大的特点：
使用两根线完成通信
分别是：
| 名称 | 英文 | 作用 |
|---|---|---|
| SCL | Serial Clock | 时钟线 |
| SDA | Serial Data | 数据线 |
1. SCL时钟线
SCL负责产生时钟信号。
IIC属于同步通信。
所谓同步，就是：
通信双方按照统一的时间节奏进行数据传输。
这个节奏由SCL提供。
可以理解为：
SCL就是通信中的“节拍器”。
2. SDA数据线
SDA负责数据传输。
例如：
设备地址
寄存器地址
实际数据
全部通过SDA进行传输。
三、IIC通信结构
IIC采用：
一主多从结构
也就是说：
一个主机可以连接多个从设备。
例如：
STM32作为主机：
主机：
STM32
从设备：
OLED
MPU6050
EEPROM
所有设备共享同一组：
SCL线
SDA线
那么问题来了：
多个设备连接在一起，STM32如何知道当前要和哪个设备通信？
答案：
设备地址
每一个IIC设备都有自己的地址。
例如：
OLED：
0x3C
MPU6050：
0x68
EEPROM：
0x50
通信时：
STM32首先发送目标设备地址。
只有地址匹配的设备才会响应。
四、IIC硬件组成
一个完整的IIC通信，需要三个重要部分。
1. SCL时钟线
SCL由主机产生。
例如：
STM32作为主机时：
STM32输出时钟信号。
作用：
控制数据传输节奏。
2. SDA数据线
SDA是一根双向数据线。
发送数据：
MCU → 外设
读取数据：
外设 → MCU
所以SDA既可以发送，也可以接收。
3. 上拉电阻
这是IIC中非常重要的一个知识点。
为什么IIC需要上拉电阻？
因为：
IIC使用开漏输出结构。
设备只能主动拉低电平。
但是无法主动输出高电平。
因此需要外部上拉电阻，将信号拉到高电平。
常见上拉电阻：
4.7KΩ
作用：
保证总线空闲状态保持高电平。
如果没有上拉电阻，可能出现：
通信失败
波形异常
设备无法识别
五、IIC通信时序
一次完整的IIC通信过程如下：
START
↓
发送设备地址
↓
ACK应答
↓
数据传输
↓
ACK应答
↓
STOP
下面详细分析每一步。
六、START起始信号
通信开始之前：
主机需要发送START信号。
START产生条件：
当SCL保持高电平时：
SDA由高电平变为低电平。
也就是：
SDA：
1 → 0
表示：
开始一次IIC通信。
七、发送设备地址
START之后：
主机发送设备地址。
IIC通常采用：
7位地址 + 1位读写位
格式：
设备地址 + R/W
其中：
W=0
表示写操作。
例如：
STM32配置MPU6050寄存器。
R=1
表示读操作。
例如：
读取传感器数据。
八、ACK应答
IIC通信中：
每发送8bit数据后，需要等待设备回应。
这个回应就是：
ACK。
例如：
发送：
8位数据
第9个时钟：
设备返回ACK。
如果设备正常收到：
SDA拉低。
表示：
ACK成功。
如果没有响应：
就是NACK。
常见原因：
地址错误
设备未上电
接线错误
没有上拉
九、数据传输
地址确认之后：
开始传输真正的数据。
例如：
STM32向MPU6050写数据：
通信流程：
START
↓
MPU6050地址 + W
↓
ACK
↓
寄存器地址
↓
ACK
↓
数据
↓
ACK
↓
STOP
十、STOP结束信号
通信完成后：
主机发送STOP。
STOP条件：
SCL保持高电平：
SDA由低变高。
表示：
本次通信结束。
十一、IIC写数据流程
写数据是最常见的操作。
例如：
初始化传感器。
流程：
START
↓
设备地址 + W
↓
ACK
↓
寄存器地址
↓
ACK
↓
写入数据
↓
ACK
↓
STOP
实际开发中：
很多传感器初始化代码，本质上就是不断向寄存器写入配置。
十二、IIC读数据流程
读取数据相比写操作复杂一些。
例如：
读取MPU6050的数据。
通常需要两步。
第一步：
告诉设备读取哪个寄存器。
流程：
START
↓
设备地址 + W
↓
寄存器地址
第二步：
重新开始读取。
流程：
ReSTART
↓
设备地址 + R
↓
读取数据
↓
NACK
↓
STOP
完整流程：
START
↓
地址+W
↓
寄存器地址
↓
ReSTART
↓
地址+R
↓
数据
↓
NACK
↓
STOP
十三、IIC和SPI区别
| 项目 | IIC | SPI |
|---|---|---|
| 通信线 | 2根 | 4根以上 |
| 速度 | 较慢 | 较快 |
| 通信方式 | 半双工 | 全双工 |
| 设备选择 | 设备地址 | CS片选 |
| 优势 | 节省IO | 高速通信 |
简单理解：
IIC：
省线，适合传感器。
SPI：
速度快，适合高速设备。
十四、IIC常见问题
1. 为什么扫描不到设备？
常见原因：
① 地址错误
② SDA/SCL接反
③ 没有共地
④ 没有上拉电阻
⑤ 设备没有供电
2. 为什么一直没有ACK？
检查：
设备地址是否正确
硬件连接是否正确
电源是否正常
通信频率是否过高
十五、总结
IIC核心知识可以总结为：
1. 两根线
SCL：
负责时钟
SDA：
负责数据
2. 一个主机多个从机
设备通过地址区分。
3. 通信流程
START
↓
地址
↓
ACK
↓
数据
↓
ACK
↓
STOP
4. 读写区别
写：
地址+W
↓
寄存器
↓
数据
读：
地址+W
↓
寄存器
↓
ReSTART
↓
地址+R
↓
数据
IIC看似复杂，其实核心就是：
通过SCL提供时钟，通过SDA传输数据，再利用设备地址找到目标设备。
掌握IIC之后，后续学习STM32驱动OLED、MPU6050、EEPROM等外设都会轻松很多。