I2C总线协议详解（特点、通信过程、典型I2C时序）
目录
1、I2C总线简介
2、通信过程
3、寻址方式
4、起始信号和停止信号
5、 字节传送与应答
6、同步数据信号
7、时钟同步与仲裁
（1）时钟同步
（2）仲裁
8、典型I2C时序
（1）主机向从机发送数据
（2）从机向主机发送数据
（3）主机先向从机发送数据，然后从机再向主机发送数据
1、I2C总线简介
I2C总线是Philips公司在八十年代初推出的一种串行、半双工的总线，主要用于近距离、低速的芯片之间的通信；I2C总线有两根双向的信号线，一根数据线SDA用于收发数据，一根时钟线SCL用于通信双方时钟的同步；I2C总线硬件结构简单，简化了PCB布线，降低了体统成本，提高了系统可靠性，因此在各个领域得到了广泛应用。
I2C总线是一种多主机总线，连接在 I2C总线上的器件分为主机和从机。主机有权发起和结束一次通信，从机只能被动呼叫；当总线上有多个主机同时启用总线时，I2C也具备冲突检测和仲裁的功能来防止错误产生；每个连接到I2C总线上的器件都有一个唯一的地址（7bit），且每个器件都可以作为主机也可以作为从机（但同一时刻只能有一个主机），总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作；I2C总线在通信时总线上发送数据的器件为发送器，接收数据的器件为接收器。
I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试，故障可以立即被寻址，软件也有利于标准化和模块化，缩短开发时间。
I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF限制。
串行的8位双向数据传输速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。
总线具有极低的电流消耗，抗噪声干扰能力强，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。
2、通信过程
- 主机发送起始信号启用总线
- 主机发送一个字节数据指明从机地址和后续字节的传送方向
- 被寻址的从机发送应答信号回应主机
- 发送器发送一个字节数据
- 接收器发送应答信号回应发送器
- ........ （循环步骤4、5）
- 通信完成后主机发送停止信号释放总线
第4步和第5步用的是发送器和接收器，不是主机和从机，这是由第一个字节的最后一位决定主给从发，还是从给主发。
也就是说，第一个字节和最后的停止信号一定是主机发给从机，但中间就不一定了。
发送数据过程中不允许改变发送方向（除非重启一次通信，详见后文典型I2C时序(3)部分）。
3、寻址方式
I2C总线上传送的数据时广义的，既包括地址，又包括真正的数据。
主机在发送起始信号后必须先发送一个字节的数据，该数据的高7位为从机地址，最低位表示后续字节的传送方向，‘0’表示主机发送数据给->从机，‘1’表示从机发送数据给->主机。
总线上所有的从机接收到该字节数据后都将这7位地址与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己被主机寻址，然后再根据第8位将自己定为发送器或接收器。
4、起始信号和停止信号
SCL为高电平时，SDA由高变低表示起始信号；
SCL为高电平时，SDA由低变高表示停止信号；
起始信号和停止信号都是由主机发出，起始信号产生后总线处于占用状态，停止信号产生后总线被释放，处于空闲状态。
空闲时，SCL与SDA都是高电平。
停止情况有两种：
- 主机不想发了，就发送停止信号；
- 从机不想接了，不应答，主机就发送停止信号结束此次通信。
5、 字节传送与应答
I2C总线通信时每个字节为8位长度，数据传送时，先传送最高位，后传送低位，发送器发送完一个字节数据后接收器必须发送1位应答位来回应发送器，即一帧共有9位。
I2C每次发送数据必须是8位。
MSB固定，先发高位，再发低位。
6、同步数据信号
I2C总线在进行数据传送时，时钟线SCL为低电平期间发送器向数据线上发送一位数据，在此期间数据线上的信号允许发生变化，时钟线SCL为高电平期间接收器从数据线上读取一位数据，在此期间数据线上的信号不允许发生变化，必须保持稳定。
7、时钟同步与仲裁
（1）时钟同步
时钟同步是通过I2C总线上的SCL之间的线“与”（wire-AND）来完成的，即如果有多个主机同时产生时钟，那么只有所有master都发送高电平时，SCL上才表现为高电平，否则SCL都表现为低电平。
线“与”特性由开漏电路实现。如果控制开漏输出INT为0，低电平，则VGS >0，N-MOS管导通，使输出接地，若控制开漏输出INT为1 (它无法直接输出高电平) 时，则N-MOS 管关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。正常使用时必须外部接上拉电阻。也就是说，若有很多个开漏模式引脚（C1、C2....）连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。
（2）仲裁
总线仲裁与时钟同步类似，当所有主机在SDA上都写1时，SDA的数据才是1，只要有一个主机写0，那此时SDA上的数据就是0.
一个主机每发送一个bit数据，在SCL为高电平时，就检查SDA的电平是否和发送的数据一致，如果不一致，这个主机便知道自己输掉了仲裁，然后停止向SDA写数据。也就是说，如果主机一致检查到总线上数据和自己发送的数据一致，则继续传输，这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的master不会丢失数据。
输掉仲裁的主机在检测到自己输了之后也就不再产生时钟脉冲，并且要在总线空闲时才能重新传输。
仲裁的过程可能要经过多个bit的发送和检查，实际上两个主机如果发送的时序和数据完全一样，则两个主机都能正常完成整个数据传输。
注意：多个主机仲裁时，因为线“与”特性，谁低谁能强制SDA为低，也就是跟自己匹配，所以先高（高电平1）的那个就会仲裁失败。
8、典型I2C时序
（1）主机向从机发送数据
（2）从机向主机发送数据
（3）主机先向从机发送数据，然后从机再向主机发送数据
注：S：起始信号，A：应答信号，A非表示非应答，P：终止信号，
阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分表示从机向主机发送数据。
数据传输中间如果想转换发送方向，不用发P停止信号，就不会释放总线，直接再发起始信号。
怎么发起始信号，怎么发停止信号，这些都不用关心，由I2C控制器完成，我们使用的时候只需要正确配置控制器相应的寄存器就可以了。
参考学习视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1WK4y1o7rd?p=7
https://www.bilibili.com/video/BV1264y1y7oX?from=search&seid=4461481906739954380&spm_id_from=333.337.0.0