I2C通讯协议介绍

  I2C总线是PHLIPS公司在20世纪80年代推出的一种串行总线。具有引脚少，硬件实现简单，可扩展性强的优点。I2C总线的另一优点是支持多主控，总线上任何能够进行发送/接收数据的设备都可以占领总线。当然，任意时间点上只能存在一个主控。

  I2C即是一种总线，也是一种通讯协议。在嵌入式开发中，通讯协议可分为两层：物理层和协议层。物理层是数据在物理媒介传输的保障；协议层主要是规定通讯逻辑，同一收发双方的数据打包、解包标准。打个比方，物理层相当于现实中的公路，而协议层则是交通规则，汽车可以在路上行驶，但是需要交通规则对行驶规则进行约束，不然将出现危险，也就是数据传输紊乱、丢包。

1. 物理层

I2C通讯系统接线图如下：

(1) 在I2C通讯总线上，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机和多个通讯从机
(2) I2C通讯只需要两条双向总线：串行数据线(SDA)，串行时钟线(SCL)。数据线用于传输数据，时钟线用于同步数据收发
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机正是利用该地址对设备进行访问
(4) SDA和SCL总线都需要接上上拉电阻，当总线空闲时，两根线均为高电平。连接到总线上的任意器件输出低电平都会将总线信号拉低。即各器件的SDA和SCL都是线与的关系
(5) 多个主机同时使用总线时，需要用仲裁方式决定哪个设备占用总线，不然数据将会产生冲突
(6) 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbps，快速模式下可达400kbps，高速模式下可达3.4Mbps(目前大多数I2C设备还不支持高速)

2. 协议层

协议层规约了通讯的起始、停止信号，数据有效性、响应、冲裁同步、地址广播等。

2.1 通讯的起始信号/结束信号

在SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平转换表是起始信号。

在SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平转换表是结束信号。

  起始/结束信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在结束信号产生后，总线就处于空闲状态。

需要注意的两点：
(1) 接收器件接收到一个完整的数据字节后，可能需要完成一些其他工作，如处理内部接收中断服务函数等，这就无法立即接收下一字节的数据，这时接收器件可将SCL线拉成低电平，从而使得主机处于等待状态。直至接收器件准备好接收下一字节数据时再释放SCL线使之为高电平。
(2) 连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线控制器那么很硬件会自动检测到起始、结束信号，而对于不具备I2C总线控制器的器件(单片机)来说，需要在每个时钟周期内保证对数据线SDA采样两次，捕获是否接收到起始/结束信号。

2.2 数据传输

(1) 起始信号后，总线上所有的从机开始等待主机紧接下来的从机地址广播。因为总线上每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，该设备就被选中，并向主机发出应答(ACK)或者非应答(NACK)，主机只有在接收到应答信号后继续发送/接收数据，没选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，从机地址可以是7位或者10位。

(2) I2C总线上传输的数据包括上述的地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后需传送一个从机地址(7位)，第8位是数据的传输方向(接收/发送)，“0”表示主机发送数据，“1”表示主机接收数据。每次数据的传输总是由主机产生结束信号以结束传输，但若主机希望继续占用总线进行新的数据传输时，则可以不产生结束信号，而是再次发送起始信号对另一从机地址寻址。

(3) 若配置为写数据方向，主机开始向从机传输数据，数据包大小为8位，主机每发送完1字节数据都有等到从机的应答信号(ACK)，多字节数据发送时重复此过程。传输结束后，主机向从机发送一个停止信号表不再传输数据。

(4) 若配置为读方向，从机开始向主机返回数据，数据包大小还是8位。同理，从机每发送完一字节数据都要等到主机的应答信号(ACK)，重复此过程可以返回多个数据。当主机希望停止接收数据时就向返回一个非应答信号(NACK)，数据传输将结束。

(5) 实际I2C通讯采用的是读写复合的格式。传输过程中主机需要发出2次起始信号：第一次传输主机通过从机地址找到从机设备，发送一段数据，这个数据是从设备内部寄存器或者存储器地址；第二次传输是对该地址进行读/写。主机要读取从机数据时，主机会释放对SDA总线的控制，由从机控制SDA总线，主机负责接收信号；主机要向从机设备写数据时，SDA由主机控制，从机负责接收信号。