实战分享：I2C总线详解

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I2C总线是一种常用的通信接口。让我们先来看看百度百科对它的定义。

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

由这个定义中我们可以知道，I2C总线采用双线形式串行传输，属于半双工模式。

这里简单介绍下串行和并行的区别。

并行传输

从字面上就可以理解，意思是多个位拥有各自独立的数据线进行传输，如下图所示。

串行传输

数据公用一条数据线，数据需要一位一位的进行传输，如下图所示。

I2C总线标准文档为《THE I2C-BUS SPECIFICATION》,目前已经更新到V2.1版本。接下来将依据此文档对I2C总线进行讲解。

硬件特性

I2C总线由两条线组成——串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）。每个器件相对应的脚连接到这两根线上，从而形成一个小型网络，如下图示。图中，I2C总线上挂载有微控制器，LCD驱动芯片，EEPROM等器件。连接到总线上的器件数量只由总线电容400pF的限制决定。

I2C总线支持三种传输模式。在标准模式下可达100kbit/s；在快速模式下可达400kbit/s；在高速模式下可达3.4Mbit/s。

I2C总线上允许多个主机存在。当多个主机要访问同一个从机时，这时会产生冲突。为了解决这种冲突，I2C总线有同步和仲裁的机制。讲解这种机制前，我们需要先搞清楚I2C的一些硬件特性。

连接到I2C总线上的器件的输出端采用漏极开路或集电极开路进行设计，执行的是线与的逻辑。如何理解这种线与的逻辑呢？我们知道，I2C的低电平代表0，高电平代表1。当总线上多个器件同时传输数据时，只要有一方为0，则总线上为0。因为0取与都为0。再回到硬件上看，由于采用线与的设计，输出端无法依靠自身输出高电平，只能通过外部上拉来实现高电平。其电平值由外部电源决定。因此，当总线空闲时，这两根线均为高电平。

位传输时，SCL处于高电平时，SDA数据有效（data line stable;data valid），可进行采样；SCL处于低电平时，运行SDA进行电平变换（change of data allowed）。

同步

主机在进行数据传输时需要在SCL线上输出自己的时钟波形。当多个主机需要传输数据时，时钟需要先同步。如下图示意，由上面的讲解我们知道，总线上总是优先呈现低电平状态。当SCL被从高电平拉低后，各个器件开始低电平周期计数。当短周期的器件CLK1低电平结束后，仍有器件CLK2处于低电平，因此，此时的CLK1进入等待状态（wait state）。最终直到CLK2低电平结束后，SCL电平切换到高电平。高电平情况类似。由此可得出结论：

“产生的同步SCL时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件（CLK2）决定，而高电平周期由高电平时钟周期最短的器件（CLK1）决定”。

仲裁

“当SCL线时高电平时，仲裁在SDA线发生；这样，在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平与它自己的电平不同”。

数据传输格式

I2C总线数据帧通常由以下元素组成：起始条件（START condition）/重复起始条件（repeated START condition）,从机地址（ADDRESS），数据（DATA），响应信号（ACK），不响应信号（NACK），停止条件（STOP condition）。波形如下图示意。

下面对每个元素进行讲解。
起始条件（START condition）/重复起始条件（repeated START condition）

这两个电平其实是一样的。当SCL处于高电平时，SDA从高电平切换到低电平。注意到了吗？通常在SCL高电平时采用SDA的电平作为比特位，此处用电平变化标记为起始条件或重复起始条件。这样就可以与位数据进行区分，因为位数据在SCL高电平时不变化。

从机地址（ADDRESS）

从机地址有两种，一种为7位，另一种为10位。从机地址后面跟一个比特位（R/W），当该位为0时表示写操作；当该位为1时表示读操作。

数据（DATA）

每个数据为8位，采用MSB方式传输。MSB指高位先传输，而LSB则指低位先传输。

响应信号（ACK）和不响应信号（NACK）

数据传输必须带响应。响应信号（ACK）为SCL处于高电平时，SDA处于低电平；不响应信号（NACK）为SCL处于高电平时，SDA处于高电平。

停止条件（STOP condition）

SCL处于高电平时，SDA从低电平切换到高电平，这就是停止条件（STOP condition）的电平情况。

清楚各个元素后，现在通过这些元素组合成一帧数据。I2C总线有以下几种数据传输格式：
图片中关键字解析如下：
S: 起始条件（START condition）。
Sr：重复起始条件（repeated START condition）
SLAVE ADDRESS：从机地址（ADDRESS）。
R/W（带上划线）：读写比特位。
A：响应信号（ACK）。
DATA：数据（DATA）。
A/A（带上划线）：响应信号（ACK）或不响应信号（NACK）。
P：停止条件（STOP condition）。

1.主机发送7位/10位地址寻址从机，并写入数据。.

2. 主机发送7位/10位地址寻址从机，并读取数据。

3. 由上述两种情况组合而成的复合情况。

至此，I2C总线的基本特性已经涵盖完了。由这些认知，我们可以开始做驱动开发了。下面举个例子。

实例

这是士兰微电子SC7A20加速度传感器芯片规格书中的截图。对比下之前的说明，相信能看得懂。

再看下SC7A20的数据帧格式。这里说明以下各个符号的意思。

ST：起始条件。
SAD+W：从机地址加写比特位。
SAD+R：从机地址加读比特位。
SAK：从机响应信号ACK。
MAK：主机响应信号ACK。
NMAK：主机不响应信号NACK。
SP：停止条件。
SR：重复起始条件。
SUB：寄存器地址。

下图是寄存器说明表格。这次从WHO_AM_I寄存器中读取设备ID值。

这个是逻辑分析仪采集的波形图。从机的地址为0x19，寄存器地址为0x0F，读取到的设备ID值为0x11。

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