ESP32S3-IDF-iic通信_esp32s3哪个是硬件iic接口

一、IIC简介

IIC（Inter-Integrated Circuit，也常写作I²C或I2C）是一种由飞利浦半导体（现为NXP半导体）在1980年代初设计的串行通信总线协议，主要用于在嵌入式系统中进行设备间短距离、低速的数据传输。IIC总线因其简洁的接口和易于实现的特性，在许多电子设备中得到广泛应用，尤其是那些需要在主板上集成多种传感器、控制器或存储器的场合。

• 物理接口：IIC总线只需要两条线——串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），这使得硬件成本和电路板空间需求大大降低。
• 半双工通信：SDA线既用于发送也用于接收数据，但同一时刻只能进行一项操作，因此属于半双工模式。
• 同步通信：通信双方通过共享的时钟信号（由主设备提供）同步数据传输，保证了数据传输的稳定性。
• 数据传输速率：支持不同速度等级，包括标准模式（最大100kHz）、快速模式（最大400kHz）、快速模式+（最大1MHz）以及高速模式（可达3.4MHz），具体取决于总线条件和设备支持。
• 从设备寻址：主设备通过广播从设备的地址来选择通信的目标，从设备通过ACK/NACK信号响应，以确认接收或拒绝数据。
• 硬件支持：通常需要上拉电阻来保持SDA和SCL线在空闲状态为高电平，以及开漏或开集电极的输出级以允许多个设备控制总线电平。
• 多主机/多从机架构：在使用 IIC 通信总线时，可以有多个具备 IIC 通信能力的设备挂载在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容 400pF 的限制决定。IIC 总线挂载多个器件的示意图，如下图所示。
  

二、IIC时序

上图是IIC总线的时序图，分为六个方面，具体是①起始信号 ②停止信号 ③应答信号 ④数据有效性 ⑤数据传输 ⑥空闲状态

1. 起始信号：该信号有主机发出，产生之后总线处于被占用状态，准备数据传输。具体是当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变到低电平，所以起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是电平信号。
2. 停止信号：该信号也是由主机发出，停止信号发出后，总线处于空闲状态。具体是SCL为高电平时，SDA由低电平到高电平的跳变。
3. 应答信号：发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK 简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
   观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间将 SDA 线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个 NACK 信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放 SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。
4. 数据有效性：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。数据在 SCL 的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
5. 数据传输：在 I2C 总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在 SCL 串行时钟的配合下，在 SDA 上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
6. 空闲状态：IIC 总线的 SDA 和 SCL 两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

三、IIC基本的读写通讯过程

1、写操作

① 主机首先在 IIC 总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据；
② 主机接着发送从机地址+0（写操作）组成的 8bit 数据，所有从机接收到该 8bit 数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号；
③ 主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。

2、读操作

① 主机发出起始信号；
② 接着主机发送从机地址+1（读操作）组成的 8bit 数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址；
③ 在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回 8bit 数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号；
④ 假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。

四、ESP32S3-IIC控制器

ESP32-S3 有两个 IIC 总线接口，根据用户的配置，总线接口可以用作 IIC 主机或从机模式。
IIC 接口特点：

• 可支持标准模式（100Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s），速度最高可达 800Kbit/s，但受限于
  SCL 和 SDA 上拉强度。
• 可支持 7 位寻址模式和 10 位寻址模式
• 可支持双地址（从机地址和从机寄存器地址）寻址模式

下面介绍一下 ESP32S3 的 IIC 主机写入从机，7 位寻址，单次命令序列的场景，如下图所
示。

在 ESP32-S3 硬件 IIC 控制器中，都有相对应的空间存放相对应的内容。比如上图中，在cmd 内存区中存放的是就是命令序列，就比如前面提及到的起始信号、写过程、读过程、停止信号；在 RAM 内存区中存放的就是某些命令序列携带的内容。
当主机在软件配置好命令序列和 RAM 数据后，操作寄存器启动数据传输时。控制器的行
为可分为以下四步：
1、等待 SCL 线位高电平，以避免 SCL 线被其他主机或者从机占用。
2、执行 RSTART 命令发送 START 位。即发送起始信号。
3、执行 WRITE 命令从 RAM 的首地址开始取出 N+1 个字节并一次发送给从机，其中第一个字节为地址。这个过程中会产生对应的时序，携带数据进行发送。
4、发送 STOP 命令，即发送停止信号。

参考资料：ESP32-S3 使用指南-IDF 版