一、概述

在我们的各种硬件产品中，经常会用到IIC总线，IIC是一种两线接口（Inter-Integrated Circuit）。它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于使用简单，它被广泛用于微控制器与传感器阵列、显示器、EEPROM、IOT等设备之间的通信。

图1 IIC常用链路拓扑

IIC的主要特点如下：

只需要两条总线，串行数据线（SDA），串行时钟线（SCL）；
没有严格的波特率要求，主设备生成总线时钟；
所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址；
IIC是多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测；
SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变；
常用速率如下：普通模式：100kHz；快速模式：400kHz；高速模式：3.4MHz；

二、物理及协议层

2.1 硬件层

SDA和SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压，连接到总线的接口数量主要受总电容限制（一般小于400pF），最大从机数理论上是127个；

由于SDA、SCL为漏极开路结构(OD)，因此它们必须接有上拉电阻,阻值的大小可以是 1k8、 4k7 、10k等，当总线空闲时，两根线均为高电平；

图2 IIC总线内部OD门

当主设备决定开始或结束通讯时，需要执行以下动作：

当 SCL 是高电平时
SDA 线由高电平向低电平切换

当 SCL 是高电平时
SDA 线由低电平向高电平切换

通信开始条件

通信停止条件

图3 通信开始/停止条件

IIC总线的数据有效性

IIC总线既不是上升沿采样也不是下降沿采样，而是高电平采样；IIC 使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL 信号线进行数据同步；

SDA在SCL的每个时钟周期传输一位数据。SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。

当 SCL为低电平时， SDA 的数据无效，一般在这个时候 SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

图3 数据有效性

IIC总线的 F/S 模式器件的时序定义

在测试IIC总线的时候时序测试尤为重要，也是IIC信号完整性测试的主要模块，很多情况下IIC通信问题都是时序不对导致的。IIC总线在快速模式和普通模式下的时序定义如下图；

图5 IIC总线在F/S模式时序定义

重复起始条件的建立时间（tSU；SAT）
起始条件的保持时间（tHD；SAT）
数据保持时间（tHD；DAT）
数据建立时间（tSU；DAT）
SDA和SCL信号的上升时间（tr）
SDA和SCL信号的下降时间（tf）
停止条件的建立时间（tSU；STO）
停止和启动条件之间的总线空闲时间（tBUF）

测试信号时序时需要注意具体的波形卡点位置，卡点位置不对情况下会导致测出来的数据不是真正的实际数据；具体的卡点位置还要参考被测单板所使用的芯片规格书的要求，根据具体的datasheet要求来测试卡点，一般情况下这三种情况较多：【10%，90%】、【0.8V，2.0V】、【0.3VDD，0.7VDD】；

F/S模式 IIC总线器件SDA和SCL总线时序标准

在标准模式和快速模式情况下，总线的时序标准是一致的，无论在哪种产品都要以如下标准来判定时序测试的通过与否。