I2C通信

【转载】
G哥撸Arduino之：深入浅出I2C通信
https://www.arduino.cn/thread-81380-1-1.html
(出处: Arduino中文社区)

I2C通讯简介

I2C的全称为：Inter-Integrated Circuit，
中文名字：内部集成电路。
可以读作"I-squared-C" ，在中国常被读作"I方C"。
I2C是Philips公司在1980年代，
为了让主板、嵌入式系统用以连接低速周边装置，而开发的一种简单的双向二线制同步串行总线。
现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
I2C使用两根传输线实现一个主设备与多个从设备，甚至是多个主设备与对应从设备之间的通信。
这两根通讯线一根为控制时钟线，称之为SCL，其实是（Serial Clock）的简称，用于同步设备间的数据传输时钟；
另一根为数据线，称之为SDA，其实是（Serial Data）的简称，用于携带数据。
那么，它与SPI、串口到底有什么异同呢？
下面将SPI、串口及I2C三种通信方式做个有趣的对比，
让大家有一个直观的认识，
也算对通信方式做一个简单的总结吧。

我们知道，通讯需要借助于介质（通讯线，这里单指有线通讯），
通讯线一般又分为控制线，数据线和地线。
出于简化设计、节约成本（特别是长距离传输）的考虑，
通讯双方一般由一根控制线、一根数据线和一根地线连接，
有时，为达到双向同时收发的目的（全双工的概念），
又将接收和发送的数据线独立开来，
此时数据线就需要两根了。
进一步，为应对更复杂的控制需求，
控制线可能又不止一条。
由此，就构成了SPI、串口、I2C连线方式上的差异。

对比形式如下表所示（忽略了地线）。

1） 控制线的存在，可以随意决定传送数据的长度；异步串口没有控制线，决定了其传输对象只能是面向字符，如此一来字符与字符之间的相关性和连续性就不好确定了，只能寄希望于协议，所以异步串口的收发包协议是三者当中最复杂的。而且，有控制线的传输协议，就有主从的概念。因为控制线一般是由主机产生，用于控制（同步）从机使用的。
2） 双数据线的存在，使得数据接收和发送可以同时进行，可以实现全双工，大大提高了传输速率。而I2C只有一条数据线，它是如何实现数据的收和发的呢？通过设置双向数据线，而且规定了任一时刻要么是接收状态，要么是发送状态，从而用降低速率的办法实现双向数据传输。简单但传输速率太慢。
3） 同样是主机与多从机相互通讯的方式，SPI通过片选信号线SS来决定要通讯的从机，I2C通过给每个I2C器件分配唯一的地址，通讯前通过寻址的方式确定通讯从机。

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I2C协议的设计解读

所谓协议，即共事双方，为达到某一共同目标，而制定的一种契约。
既然是契约，双方就都必须遵守，否则是达不到最终的共同目标的。
I2C是一种通讯协议，以相互通讯为目标，设计了一套关于如何建立连接、如何互相数据识别、以及如何终止连接的约定。

从通讯的原理出发，为达到双方顺畅交流的目的，约定内容必须要包括如下内容，而如何实现这些约定，才是I2C协议真正的作用！

如此，I2C协议的核心就落在：
如何实现上述的六个信号，以及如何借助这六个信号来重构各种收发场景？

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I2C协议的六个元信号

1. 起始信号
   定义：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化
   
2. 终止信号
   定义：SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化。
   
3. 写数据信号
   I2C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，数据线上的高低电平状态才允许变化。
   
4. 读数据信号
   I2C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，数据线上的高低电平状态才允许变化。
   
5. 应答信号
   I2C总线协议规定，每传送一个字节数据，都要有一个应答信号以确定数据传送是否被对方接收。应答信号由接收设备产生，在SCL为高电平期间，接收设备将SDA拉低为低电平，表示数据传输正确。
   
6. 非应答信号
   
   基于上述的六个元信号，I2C协议进一步设计了一次完整交流的协议简图。
   
   协议简图描述了收方双方的一次完整交互：
   包括一个起始信号、7位从机通信地址、1位操作信号表示向从机写数据（写信号）或主机从从机读数据（读信号）、1位ACK应答信号、N组8位数据应答信号与相对就的N组1位ACK应答信号，最后是停止信号！
   注意，每次数据后都必须跟一个应答信号，这是I2C协议的最大特点。
   上述的六个信号，以及基于六个信号形成的协议简图，
   共同构成了I2C通讯协议的完整内容。

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Arduino对I2C协议的实现

Arduino以类的形式对I2C通信协议进行了封装，
封装的类名为：TwoWire。

Wire库以外挂库的形式放置于libraries文件夹内，
与内建库不同的是，用户在使用I2C库时，
需要手动加入I2C库的头文件：#include
同时，为方便用户使用，库文件预创建了Wire对象，
这样用户就可以在程序中直接使用Wire实现I2C通讯了。
TwoWire类封装层次较高，
是基于twi函数库（具体实现底层六个信号）的再次封装，
从软件上彻底屏蔽了I2C的底层协议内容，
这也是Arduino的设计原则，
让用户更加关注业务层面，而不是实现层面，
G哥剥茧抽丝的目的也只是让撸友们对I2C有个本质的认识。

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Wire库主要操作方法介绍

1.Begin()、Begin(address)
初始化Wire库，并针对性初始化为主机或是从机。
上述两种形式的区别如下：
Begin()初始化为主机，
Begin(address)初始化为从机，并为从机设置地址（0-127）。
2.Write()
主机向从机写数据，或从机为响应主机请求向主机写数据。
注意：当工作于主机向从机写数据时，
该语句要位于beginTransmission() 和endTransmission()语句之间。
有以下三种具体形式，描述如下：
Wire.write(value) – 写字符。
Wire.write(string) –写字符串
Wire.write(data, length)-写指定长度的数组data。
3.requestFrom()
用于主机向从设备请求数据，
此后就可以用available()和read()来具体操作从设备返回的数据了。
形式为：Wire.requestFrom(address, quantity)
Address指明从设备的地址，quantity指明请求的字节数。
4.Available()
返回接收缓存（数组）里的字符数，以便后续使用read()具体读取。
具体使用中，
对主机而言，必须事先调用requestFrom函数；
对从机而言，常在onReceive事件中使用。
5.Read()
从接收缓存（数组）中读取数据。
6.注册事件
除了上述几个方法外，Wire库还定义了两个事件：
onReceive()和onRequest()。
都是为从设备注册一个事件函数，用于响应不同的事件。
onReceive()用于从机接收到主机字符的响应，事件中执行从设备的写操作。
onRequest()用于从机接收到主机上传数据通知的响应，事件中执行从设备的读操作。