I2C总线 --- 关键点理解
最近项目中使用到了I2C总线设备，这里就讲解一下对I2C总线的理解。本文只讲解关键部分的知识，相信只要理解核心知识就很容易弄懂I2C总线了。
一 简介
I2C总线是由Philips公司开发的一种双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的设备之间传送信息。
所谓的二线制就是指SDA（Serial Data）和SCL（Serial Clock）2根线。
同步的概念后面再解释，这是一个很容易让人晕头的概念。
二 典型连接结构
比较典型的用法就是一个微控制器连接一个或多个I2C设备，这里以FM24CL64B举例（这是一种存储器），其它设备也是类似，
所有设备（包括微控制器）的SDA和SCL都分别连接在一起，也就是SDA和SDA连在一起，SCL和SCL连在一起，末端通过上拉电阻接高电平，当总线处于空闲状态时这2根线就是高电平。
三 寻址
I2C总线上微控制器属于Master，因为数据传输都是它主动发起的，总线上的其它I2C设备属于Slave，Slave听命于Master，Slave是不可以主动发起数据传输的。
那么微控制器怎么找到这些设备呢？对于FM24CL64B来说，其芯片上有三根管脚A0，A1和A2，用来设置自己的I2C地址，可以根据需要给这三根管脚接高或低电平。A0~A2上的高低电平形成的slave地址如下（一个字节），
其中SlaveID是固定的，然后是A2，A1和A0，最后是读写指示位，为1表示读，为0表示写，也就是表示要对这个地址对应的I2C设备进行读或者写。
在给微控制器写程序时，我们是事先知道Slave地址的。
PS：这个slave地址是针对FM24CL64B来说的，不同的芯片可能不一样，但原理都是一样的。手册上说最多连接8个FM24CL64B，不过个人觉得如果想2个设备都能得到相同的操作，那么可以把它们的I2C地址设置成一样的。
四 数据传输协议
Start和Stop
I2C的Start和Stop如下图，
Start和Stop都是由Master来发出，前面也说了，数据传输的主动发起者只能是Master，
- Master把SCL拉高，然后在SDA上给个下降沿就表示要开始I2C传输了，同时Slave会监听到这个变化后就会准备好数据传输
- Master把SCL拉高，然后在SDA上给给个上升沿就表示结束本次I2C传输，Slave监听到这个变化后也会退出这次I2C传输
数据传输
I2C数据传输如下图，
传输的第一个字节是I2C设备的地址，所以一定是Master传给Slave的。
数据传输是由Transmitter传给Receiver，这个Transmitter可以是Master，也可以是Slave，Receiver也是同理。当Master从Slave那里读取数据时，Master是Receiver，Slave是Transmitter；当Master写数据到Slave时，Master是Transmitter，Slave是Receiver。
一次完整的I2C传输过程中Master既可以是Transmitter，也可以是Receiver，Slave也是同理。例如读操作，传输第一个字节（Slave的I2C地址）时，Master是Transmitter，Slave是Receiver，然后接着可能Slave要发送数据给Master，那么Master就会变成Receiver，Slave变成了Transmitter。写操作过程中Master一直是Transmitter。
Transmitter每次传一个字节（在一个clock的高电平传一个bit，MSB first，即先传bit7，最后传bit0），就会释放总线，此时Receiver会传一个低电平拉低总线作为应答，即图中的Acknowledge。也就是说一个完整字节传输总共包含9位bits。
只要弄清楚Master，Slave，Transmitter和Receiver的概念和对应关系后，就很容易理解I2C的各种操作了。
五 传输速率
对于传输速率，I2C协议v2.1规定了100K，400K和3.4M三种速率(单位：bps)，目前常用的是400kbps，这速率也不是一定要严格保证，有时只是使用微处理器管脚去模拟I2C总线（微处理器上没有I2C控制器），可以不用达到这个要求，只要保证逻辑正确就可以正常通信。
六 读写时序
数据传输分为读和写，有了上一节的概念后，就可以很好的理解读写了，下面分析之，
1. 读
时序图如下，
操作步骤：
- Master先传送一个Start来开启数据传输
- Master发送Slave地址（最后的bit置1表示读操作）来读取指定设备的数据
- 自身I2C地址和第2步传输的地址一样的Slave就会传输一个字节给Master，然后释放总线，接着Master发送一个低电平表示应答
- 接着Slave再传一个字节，然后再释放总线，注意此时图中显示No Acknowledge，为什么呢？因为Master认为读完2个字节就足够了，就不再发送应答，让总线保持高电平，Slave收不到应答就不会发送数据到总线上
- Master发送一个Stop来结束本次数据传输
2. 写
时序图如下
操作步骤：
- Master先传送一个Start来开启数据传输
- Master发送Slave地址（最后的bit置0表示写操作）来写入数据到指定设备
- 图中的Address MSB和Address LSB也是要写入到设备的数据，这个是FM24CL64B内部存储空间的地址，跟Slave地址没有关系，不同设备传输的数据意义可能不一样
- Master传输一个字节后会释放总线，然后Slave拉低总线表示应答
- Master发送一个Stop来结束本次数据传输
疑问：为什么写没有读操作里的No Acknowledge呢？
因为写是Master发数据给Slave，Master自身可以决定发送多少个字节，所以就不需要用到No Acknowledge，只要保证每次传输的字节都有Slave的应答就可以了。
七 理解同步
最开始提到I2C是同步总线，为啥叫同步呢？写过socket代码的应该都知道，所谓同步是指
发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式
同理，I2C的同步也是这个概念，以写举例，当master发出一个字节的数据后，会释放总线，然后等待slave的应答，slave拉低总线表示应答，收到应答后master才会继续发送下一个字节，这就是同步。
八 总结
本文以FM24CL64B举例，来讲解I2C协议中的关键部分，如果理解了这些知识，那么对于I2C就大致搞清楚了。
如果有写的不对的地方，希望能留言指正，谢谢阅读。