I2C详解（一）

I2C Bus(Inter-Integrated Circuit Bus) 最早是由Philips半导体（现被NXP收购）开发的两线时串行总线，常用于微控制器与外设之间的连接。要想了解详细I2C协议，目前最新的I2C标准协议是2014年第6版本，如下：
I2C-Bus Standards Specification

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硬件连接

I2C仅需两根线就可以支持一主多从或者多主连接，I2C使用两个双向开漏线，配合上拉电阻进行连接，关于上拉电阻阻值大小有最大值和最小值的限制，具体计算请参考 I2C-上拉电阻计算

• SDA:串行数据线
• SCL:串行时钟线

• 硬件拉低（Open-Drain Pulling Low）

下图代表了总线电平拉低过程，当总线要传输低电平’0’时，Logic会控制FET使其导通VBUS总线连接到地，将总线拉低，注意在快速模式下最大的灌电流不超过3mA，这限制了上拉电阻的最小值。

• 硬件拉高（Open-Drain Releasing Bus）

下图代表了总线电平高电平过程，当总线要传输高电平’1’时，Logic会控制FET使其关断VBUS总线上拉到电源，将总线拉高。

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软件通讯协议

I2C是串行传输总线，按照下面格式进行一位一位传输。协议如下：

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总线速度

双向传输总线：

• 标准模式（Standard-mode）:速率高达100kbit/s
• 快速模式（Fast-mode）:速率高达400kbit/s
• 快速模式+（Fast-mode Plus）:速率高达1Mbit/s。
• 高速模式（High-speed mode）:速率高达3.4Mbit/s

单向传输总线：

• 超快速模式（Ultra Fast-mode）:速率高达5Mbit/s

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起始和停止条件及重复起始条件(START and STOP conditions and Repeated start condition)：
起始和终止条件都是由主机（master）发起产生。总线在起始条件之后处于忙碌状态，在停止条件之后又处于空闲状态。

• 起始条件：SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。
• 停止条件：SCL线是高电平时，SDA线从低电平向高电平切换。
• 重复起始条件：和起始条件相似，重复起始条件发生在停止条件之前。主机想继续给从机发送消息时，一个字节传输完成后可以发送重复起始条件，而不是产生停止条件。
  

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字节格式
SDA数据线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节数量没有限制。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位（MSB)，SDA上的数据必须在SCL高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在SCL低电平时期。

以传输Byte：1010 1010 (0xAAh)为例，SDA SCL传输时序如下所示：

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响应ACK（Acknowledge）和非响应NACK（Not Acknowledge）
每个字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），发送端释放SDA线，接收端把SDA拉低。以上图传输101010101为例，SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA拉低其代表了有ACK响应位。
当在SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA仍然保持高电平，这种情况定义为NACK非响应位。这种情况下，主机可以直接产生STOP条件终止以后的传输或者继续重新START开始一个新的传输。以下情况会导致出现NACK位：

• 接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何ACK发送给发射机
• 由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接无法接收或者发送
• 传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令
• 接收机无法接收
• 主机接收完成读取数据后，要发送NACK结束告知从机
  以下图例代表NACK时序：
  

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7-bit 地址格式和读写位
一个7-bit的地址是从最高位（MSB） 开始发送的，这个地址后面会紧跟1-bit（R/W）的操作符，1表示读操作，0表示写操作。 接下来的一个bit是NACK/ACK，当这个帧中前面8 bit发送完后，接收端的设备获得SDA控制权，此时接收设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK（将SDA拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由master来决定如何处理（stop或repeated start condition）。