📄 IIC - 📒 笔记文档

IIC协议解析

一、IIC 模式设置

配置项	含义与说明
IIC	标准 I²C 模式。使用两根线（SDA 数据线、SCL 时钟线），支持多主机、多从机，通过地址寻址。这是最常用的模式。
SMBus-Alert-mode	SMBus 的警报信号模式。SMBus 是 I²C 的一个子集，增加了低功耗管理、超时检测等特性。Alert 模式允许从机通过一个专用信号线（SMBA#）主动通知主机发生事件，主机随后发起 Alert Response Address (ARA) 流程来识别哪个从机触发了警报。
SMBus-two-wire-interface	也是 SMBus，但不使用专用警报线，所有通信（包括警报响应）都在标准的 SDA/SCL 两根线上完成。更接近 I²C 的物理层，但遵循 SMBus 的协议层（如超时、包错误校验 PEC 等）。

简单区分：

IIC：标准模式，无超时限制，支持任意速率（常见 100k/400k）。

SMBus Alert：需要额外 SMBA 线，用于从机主动报警。

SMBus 2-wire：仅用两根线，兼容 I²C 电气特性，但协议更严格（如最小时钟低电平时间、超时等）。

二、参数设置

1. Speed Mode 速度模式

Standard mode (100 kHz)：经典速度，兼容性最好，适合大多数传感器、EEPROM。
Fast Mode (400 kHz)：高速模式，传输更快，要求总线电容更低，部分旧设备不支持。

2. Clock Speed

直接设定 SCL 时钟频率（单位通常是 Hz 或 kHz）。如果已选 Speed Mode，此选项可能用于微调（例如设为 350 kHz 而非 400 kHz）。若没选模式，则需要手动输入频率值。

3. Clock No Stretch Mode 开启/关闭

时钟拉伸：当从机来不及处理数据时，可以主动拉低 SCL，迫使主机等待。
Clock No Stretch Mode（无时钟拉伸模式）：
- 开启：禁止从机使用时钟拉伸。主机不会等待，如果从机拉低 SCL 可能会造成通信错误。
- 关闭：允许从机拉伸时钟（标准 I²C 支持此特性）。
- 使用场景：与某些不支持拉伸的快速设备通信，或为了简化主机时序。

4. Primary Address Length selection 地址长度

7bit：标准 I²C 地址长度，最常用。实际发送时左移一位加 R/W 位。
10bit：扩展地址长度，用于需要超过 112 个设备的总线（7 位地址除去保留地址后只有 112 个可用）。10 位地址需要两个字节传输，兼容性略差。

5. Dual Address Acknowledged 开启/关闭

是否让从机 响应两个不同的从地址。
- 开启：从机有两个有效地址（例如主地址 + 第二地址），常用于需要区分不同功能的复合设备。
- 关闭：只响应 Primary slave address。
- 注意：此选项通常只在 从机模式 下有意义。

6. Primary slave address

当本机作为从机时，自己的主要地址（7 位或 10 位，与地址长度设置匹配）。
主机通过这个地址来访问本设备。

7. General Call Address detection

广播地址检测。通用广播地址是 0x00（8 位形式，即 7 位地址 0x00 + R/W=0）。
- 开启：从机响应广播地址，接收到主机发送的全局命令（如复位所有设备、改变从机地址等）。
- 关闭：从机忽略广播地址，只响应自己的专用地址。
- 一般传感器或简单从机不启用此功能，避免误响应。

IIC时序

SCK时钟稳定一高一低，高电平时开始采样。

采样时SDA数据线四个状态：

从高到低：为开始状态，告诉设备要开始发送数据了。
从低到高：为结束状态，告诉设备我已经发送完成了。
高电平：数据为 1
低电平：数据为 0

iic时序

应答过程：设备主动拉低电平。

IIC数据协议规定

一次完整的 IIC 读写操作（以写操作为例）包含以下序列：

起始条件（S）：主机发出起始信号，开始一次通信。
设备地址与读写位（第 1 个字节）：前 7 位（A6~A0）为从机地址，用于寻址总线上最多 127 个设备。最低位（R/W）表示本次操作方向：
- 0 表示主机向从机写入数据（写操作）
- 1 表示主机从从机读取数据（读操作）该字节传输完成后，从机会在第 9 个时钟周期回复一个应答位（A）。
寄存器地址（第 2 个字节）：该字节（B7~B0）指向从机内部的寄存器地址。后续的读写操作将从此地址开始。该字节传输完成后，从机再次回复一个应答位（A）。

注意：若本次操作为连续读写，每次访问该寄存器后，地址指针会自动加 1，指向下一个寄存器。
数据字节（第 3 个及后续字节）：
- 写操作：主机发送数据字节（D7~D0），写入第 2 步指定的寄存器。从机每收到一个字节回复一个应答位（A）。之后可继续发送多个数据字节，寄存器地址自动递增。
- 读操作：主机转为接收模式，从机发送数据字节（D7~D0），内容为当前寄存器地址中的值。主机每收到一个字节回复一个应答位（最后一个字节后可回复非应答 NAK 表示结束）。之后可继续读取多个字节，寄存器地址自动递增。
停止条件（S）：主机发出停止信号，释放总线，结束本次通信。

iic数据规定

硬件IIC和软件IIC

硬件IIC不需要操作SDA，SCL引脚，硬件会自己处理，只需要发送数据或命令就好。

//配置好硬件配置

void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd) {
    uint8_t buf[2] = {0x00, cmd};  // 0x00 //cmd
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1,OLED_ADDR, buf, 2, 100);
}
void OLED_WriteData(uint8_t data) {
    uint8_t buf[2] = {0x40, data};  // 0x40 //data
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_ADDR, buf, 2, 100);
}

需要自己模拟整个时序过程。

static void I2C_Start(void) {
    // SDA 和 SCL 初始高电平
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET); //时钟开始
    HAL_Delay(5);
    // SDA 拉低产生起始条件
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(5);
    // SCL 拉低，准备传输数据
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);//时钟结束
    HAL_Delay(5);
}

static void I2C_Stop(void) {
    //1.先拉低SCL，再拉低SDA 
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(5);
    // SCL 时钟开始
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(5);
    // SDA 拉高产生停止条件
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(5);
    // SCL 时钟结束
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    
}

// 发送一个字节，返回从机应答位（0=应答，1=非应答）
static uint8_t I2C_SendByte(uint8_t data) {
    // 发送 8 位数据，高位在前
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        if (data & 0x80) {
            HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        }
        data <<= 1;
        HAL_Delay(2);
        // 产生时钟高电平，从机采样数据
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(5);
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(2);
    }
    // 释放 SDA 总线，准备接收应答
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(2);
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(5);
    // 读取应答位（低电平有效）
    uint8_t ack = HAL_GPIO_ReadPin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin);
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(2);
    return ack;   // 0 表示应答，1 表示非应答
}


// 向 OLED 发送命令或数据（连续多个字节）
static void OLED_WriteBytes(uint8_t ctrl_byte, uint8_t *data, uint8_t len) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(OLED_ADDR);          // 发送设备地址 + 写位
    I2C_SendByte(ctrl_byte);          // 控制字节：命令或数据
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        I2C_SendByte(data[i]);
    }
    I2C_Stop();
}

// 便捷函数：写单个命令
static void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd) {
    OLED_WriteBytes(0, &cmd, 1); // 0代表写命令，&cmd要发送的命令，1发送长度
}

// 便捷函数：写单个数据
static void OLED_WriteData(uint8_t data) {
    OLED_WriteBytes(1, &data, 1);
}

读数据&写数据

向设备写数据，前面已经有相关示例了。

读设备数据：

硬件操作

// 从设备读取多个字节（标准流程：写寄存器地址 -> 重复起始 -> 读数据）
// ctrl_byte: 控制字节（例如 0x00 命令，0x40 数据，或者寄存器地址）
// data: 接收缓冲区
// len: 要读取的字节数
// 返回值：HAL 状态（HAL_OK 表示成功）
HAL_StatusTypeDef OLED_ReadBytes(uint8_t ctrl_byte, uint8_t *data, uint8_t len) {
    HAL_StatusTypeDef ret;
    // 1. 发送设备地址 + 写位，并发送控制字节
    ret = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, OLED_ADDR, &ctrl_byte, 1, 100);
    if (ret != HAL_OK) return ret;

    // 2. 重复起始，发送设备地址 + 读位，然后接收数据
    ret = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, OLED_ADDR, data, len, 100);
    return ret;
}

软件模拟

// 读取一个字节，ack: 0=主机发送应答（继续读取），1=主机发送非应答（结束读取）
static uint8_t I2C_ReadByte(uint8_t ack) {
    uint8_t data = 0;
    // 释放 SDA 总线，让从机控制数据线
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(2);
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        data <<= 1;
        // SCL 高电平，从机输出数据
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(5);
        if (HAL_GPIO_ReadPin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin) == GPIO_PIN_SET) {
            data |= 0x01;
        }
        // SCL 低电平，准备下一位
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(2);
    }
    // 主机发送应答位
    if (ack == 0) {
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 应答（低电平）
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);   // 非应答（高电平）
    }
    HAL_Delay(2);
    // 产生应答时钟脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(5);
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SCL_GPIO_Port, Soft_IIC_SCL_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(2);
    // 释放 SDA 总线
    HAL_GPIO_WritePin(Soft_IIC_SDA_GPIO_Port, Soft_IIC_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    return data;
}

// 从 OLED 读取多个字节（先写入控制字节，再连续读取）
static void OLED_ReadBytes(uint8_t ctrl_byte, uint8_t *data, uint8_t len) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(OLED_ADDR);          // 发送设备写地址
    I2C_SendByte(ctrl_byte);          // 发送控制字节（例如命令或寄存器地址）
    I2C_Start();                      // 重复起始条件
    I2C_SendByte(OLED_ADDR | 0x01);   // 发送设备读地址
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        // 最后一个字节发送非应答，其余发送应答
        uint8_t ack = (i == len - 1) ? 1 : 0;
        data[i] = I2C_ReadByte(ack);
    }
    I2C_Stop();
}