I2c总线协议详解

系列文章： 《I2C总线(2)–10bit地址读写》； 《I2C总线(3)–时钟同步和仲裁》； 《I2C总线(4)–高速模式》； 《I2C总线(5)–线与和上拉电阻》； 《I2C总线(6)–START BYTE》

简介

• I2C含有两条总线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。
• 数据传输是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号。在总线空闲状态时，这两根线被所连接的上拉电阻拉高，SCL和SDA线保持为高。
• 连接到I2C总线的设备地址是唯一的，而且存在主/从关系，主从设备之间通过这个地址来确定与哪个器件进行通信。主设备可以接受数据，也可以发送数据。
• I2C是一个多主机总线，包含冲突检测和仲裁来应对多主设备同时请求发送数据的情况。
• I2C总线上的主设备与从设备之间以串行8bit为单位进行双向数据传输，拥有不同的速度模式，如标准模式（100KB/s）、快速模式（400KB/s）、高速模式（3.4MB/s）。一般通过I2C总线接口的可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
• 连接到总线的设备数量受最大总线电容的限制。

ps:这里解释一下什么是并口协议，什么是串口协议？

• 所谓并口，通俗的讲是需要很多的线，我能在一个时钟周期内讲清楚很多的事，比如把data、address等等在一个周期就可以表达；
• 所谓串口，就是用的线很少，比如I2C，它没办法在一个时钟周期就将address、data发送完，它需要8个SCL周期才能将地址和RW位发送，同样，数据也需要8个时钟周期才能发送完。

可以带着这个问题，继续看接下来的协议内容部分。

SDA&SCL总线

• SDA和SCL都是双向总线。
• SDA和SCL要通过电流源或上拉电阻连接到正电源。
• 连接到SDA和SCL总线的设备的输出级必须有一个漏极开路（OD）或集电极开路（OC）来执行“线与”的功能。

数据有效时序

• SDA线上的数据在SCL高电平必须是稳定的。
• 只有当SCL时钟信号为低时，SDA的数据才可以发生变化。
• 每传输一个数据位，产生一个时钟脉冲。
  

数据传输开始与停止时序

规定：

• 当SCL处于高电平，SDA由高变低，为数据传输的开始（START）标识；
• 当SCL处于高电平，SDA由低变高，为数据传输的结束（STOP）标识；

注意：

• 启动和停止条件总是由主设备生成。
• 在启动后，总线会被置为繁忙状态；在停止条件后的一段时间内，总线被释放，为空闲状态。
• 如果生成的是重复启动条件（Sr），总线会保持为繁忙状态。
• 总线在空闲状态时，SCL和SDA线都保持着高电平。
• 总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件则无法访问总线。
  

串行数据传输格式

• SDA线上每个字节必须为8bit，每次传输的字节数不限，每个字母后面必须跟一个确认位（ACK）。数据首先从最高有效位（MSB）开始。
• 如果从端设备需要执行一些其他功能，使得其无法接收或者发送另一个完整字节的数据。这时，可以先拉低SCL线，使得主设备进入等待状态，直到执行完毕其他功能。当从端设备准备好接受另一个字节的数据时，将其SCL线拉高，数据传输继续进行。
  

确认(ACK)和不确定(NACK)

确定（ACK）：在第九个确认时钟脉冲期间，发送方将释放SDA总线，从而接收方可以把SDA总线拉低，而且在时钟脉冲高电平期间，SDA需要保持为低，定义为确认信号（ACK）。

不确定（NACK）：当在第九个时钟脉冲信号拉高期间，SDA信号保持为高，定义为不确定（NACK）信号。当NACK产生时，主服务器可以生成终止传输的停止条件，或者生成启动新传输的重复启动条件。

基本概念：

• 主设备产生所有时钟脉冲，第九位是确认(ACK)位时钟脉冲。
• 确认(ACK)位发生在每个字节之后，确认位跟在最后。
• 确认位是接收方给发送方的信号，表示传输的字节已经成功接受，可以发送下一个字节。

注意：会反馈NACK位的情况？

• 总线上没有接受方，因此没有设备响应应答；
• 接收器无法接收或发送，因为正在执行一些其他的功能，并且还没有准备好开始与主设备通信；
• 在传输过程中，接收方获取到了它不理解的数据或命令；
• 在传输过程中，接受方容纳不下更多的数据字节。

7位从地址

• 在数据传输启动条件满足后，紧跟着会发送一个从地址，这个地址的长度为7位
• 从地址后紧接着的第八位为R/W位。
• R/W位中：0表示为传输（即写操作），1代表数据请求（即读操作）。
• 第九位为传输确认（ACK）位，是接收方给发送方的反馈信号。
• 数据传输由主设备生成停止条件（P）终止。如果主设备仍然希望在总线上通信，可以生成重复启动条件Sr，并向另外的从设备寻址，而不需要生成一个停止条件。
  地址结构：
  

总线时序：

写操作

当RW位为0（写操作）时，主发送设备发送数据给从接受设备，

• 主设备根据从地址寻址，找到对应的从设备，从设备应答ACK。
• 从接受设备ACK每一个字节的数据。
• 停止条件由主设备产生。
  
  如下，以APB_i2c为例，在仿真中：
  先发送从地址，进行寻址
  
  发送数据，每次发送8bit数据，slave要回一个ack信号
  

读操作

当RW位为1（读操作）时，主设备向从设备中读取数据。

• 主设备根据从地址寻址，找到对应的从设备，从设备应答ACK。
• 第一个ACK信号由从设备产生，之后主设备立即读取数据。
• 之后的ACK信号由主设备产生。
• 在停止前，主设备发送一个NACK信号。
• 主设备生成停止信号。
  
  仿真时，如下：
  

组合传输

在传输中改变方向，由读变写，由写变读的操作。

• 传输方向转换前，要重新产生开始条件S或者重复开始条件Sr。
• 开始或重复开始条件满足后，要重新发送从地址。
• RW位要倒转，0变1，或者1变0。
• 如果要转换传输方向，接受设备会在产生重复开始条件前返回一个NACK。