嵌入式基础1：I2C

1. 简介

I2C (Inter-Integrated Circuit），是一种串行通信总线，用于连接微控制器及其外围设备，实现主控制器和从器件间的主从双向通信，是一种同步半双工通信(两端时钟频率一致，双向通信，但不能同时进行数据收发)。

2. 原理

I2C通信属于串行通信，具有两根串行信号线：数据线(SDA)，时钟线(SCL)。如下图所示，主控制器与从器件（一个或多个）都通过两根信号线连接，信号线上主机和从机都可以扮演发送器和接收器的角色。为确保传输过程的指向准确性，每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址（7位从器件专用地址码），可实现制定从机的定向传输与群发传输。

2.1 信号类型

同时，为确保传输稳定，所有连接在同一I2C总线上的设备共用一个时钟。I2C 总线在传送数据过程中共有以下几种类型信号：
(1) 开始信号/结束信号

• SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
• SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

(2) 应答信号/非应答信号

• IIC 总线协议规定，每传送一个字节数据后（8bit），都要有一个应答信号以确定数据传送是否被对方收到。即一个字节传输的8个时钟过后的第9个时钟期间，接收器必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。
• 应答信号由接受设备产生，在SCL为高电平期间，接受设备将SDA拉低为低电平，表示数据传输正确，产生应答（ACK），SDA拉高则表示数据传输失败，产生非应答位（NACK）。

(3) 闲置状态/被占用状态

• 在主机发送起始信号后，且未发送终止信号期间，总线处于被占用状态。
• 发送终止信号后，总线处于闲置状态，SCL与SDA同时为高电平。

2.2 总线读写流程

I2C总线进行数据传送时，SCL时钟信号为高电平期间，SDA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，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。 当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从机将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位ACK， 此时才认为一个字节真正的被传输完成 ，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。
I2c总线写通信过程：

• 主机在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个START信号掌管总线；
• 发送一个地址字节(8 bit)，其中bit0-6位为从机地址，存放从机唯一地址；bit7位为读写位(R/W)，0表示write主机 ->从机，1表示read 从机->主机；
• 主机发送地址时，总线上每个从机都会将7位地址与自己的地址进行比较，若相同，则将匹配成功，发送应答信号（ACK），确定发送器和接收器；
• 主机收到ACK后开始发送第一个字节（Command），对应从机中要写入的寄存器；
• 从机接收到Command后，从机发送ACK；
• 主机收到ACK后开始发送第一个数据字节：bit0-7（8bit数据，高到低），从机收到数据后，发送应答ACK；
• 继续发送数据，n帧；
• 主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOP，结束整个通讯并且释放总线；
  
  I2c总线读通信过程：

1. 主机产生START信号，随后发送从机地址(7bit)+0(Write)；
   *方向仍然是写，待接收到从机发送的ACK应答后，配对成功。
2. 主机接收到ACK后，发送8bit内存地址(Command对应从机相应寄存器地址)，从机接收到后，内部寻址并提取数据，返回ACK；
3. 主机接收到ACK后，重新产生START信号，再一次发送从机内存地址，(7bit)+1(Read)，从机接收到后返回ACK；
   *方向设置为读，主机设置为接收模式
4. 主机接收到ACK后，做好接收从机信息的准备，现在即可接收1bit的数据。
   *主机不向从机发送应答信号，接收完毕后直接发起终止信号。
5. 主机接收全部数据后，产生STOP信号，终止通信，总线变为闲置状态。