I2C

1. I2C基础知识

I2C 通讯协议（Inter-Integrated Circuit）是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路（IC）间的通讯。

是一种简单的双向两线制总线协议标准，支持同步串行半双工通讯。

标准模式传输速率为 100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s，目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

• SCL：串行时钟总线，用于数据收发同步
• SDA：串行数据总线，用高低电平表示数据
• 可连接多个I2C通讯设备，支持一主多从也支持多主多从。每个设备都有唯一的地址，主机通过这个地址与从机通信
• 总线通过上拉电阻接到电源。设备空闲时，输出高阻态，当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平

2. 工作原理

• 主从关系：

  • 主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。

• 数据传送：

  • 如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送。
  • 如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。

• 时钟同步：

  • SCL用于数据的时钟同步，确保主从设备之间的数据传输同步进行。

3. 主要特点

• 硬件简单：I2C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。

• 多主机总线：I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏。

• 在线检测：I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试。

• 数据传输与地址设定：数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。

• 负载能力：由于线路中电容会影响总线传输速度，I2C总线的负载能力为400pF，因此可以估算出总线允许长度和所接器件数量。

4. I2C协议

I2C作为串行通信，是按照位进行传输，一般是高位先行

• 起始信号：当SCL是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换。
• 停止信号：当SCL是高电平时，SDA 线从低电平向高电平切换

4.1 传输地址

• 主机通过SDA信号线发送设备地址（SLAVE_ADDRESS）来查找从机。
• I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。
• 紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位（R/W），第 8位或第11位。
• 数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。

5. 总线时序

5.1 起始和停止信号

• 起始信号

  • 起始信号由主设备发起，用于通知总线上的所有设备即将开始数据传输。

  • 当SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平，产生一个下降沿，表示起始信号的开始。

• 停止信号

  • 停止信号也由主设备发起，用于通知总线上的所有设备数据传输已经结束。
  • 当SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平，产生一个上升沿，表示停止信号的开始。

5.2 数据有效性

• SDA高或低电平状态只有在 SCL时钟信号是低电平时才能改变。
• 必须在SCL保持高电平时，SDA的数据才有效。（SDA保持电平的长度高大于SCL低电平的长度）
• SCL为低电平时，此时SDA可以跳变。

5.3 响应和非响应

• 接收方接到数据后要给发送方响应，有2种响应

  • 应答响应。 给发送方一个低电平（ACK），表示接收方已成功接收该字节。

  • 非应答响应。 给发送方一个高电平（NACK），通常表示接收方接收该字节没有成功。

• 应答信号在SCL的第9个时钟周期（当SCL为高电平时）发送。