I2C总线架构 之 I2C协议

简介

I2C 是一种串行通信总线，使用一主多从架构，最初设计目的为了让主板、嵌入式系统或手机用来连接低速周边设备。多用于小数据量的场合，有传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。本篇主要介绍I2C协议格式。

本文关键字符意义

字符	字长	意义
S	1bit	起始位
P	1bit	停止位
Rd/Wr	1bit	读/写标志位
A, NA	1bit	从机应答位和主机应答位
Addr	7bits	i2c地址位，通常有7位，也可拓展为10位
Comm	8bits	i2c指令
Data	8bits	通讯数据
Count	8bits	一帧数据的长度
[..]		i2c设备器件发送的数据

I2C硬件连接结构图

i2c硬件连接结构.png

I2C硬件连接主要包括I2C主机、I2C从机、I2C总线及上拉电阻。

I2C总线：
负责通讯的两条电路线SCL、SDA，电路上都有上拉电阻，即空闲状态下，两条线都保持高电平。通信时，主机按照I2C时序控制SCL和SDA上的高低电平从而产生包含特定数据的I2C时序。

I2C主机：
一条总线中一般只会有一个I2C主机，一般为可编程芯片。通过软件编程控制主机连接在I2C总线上的GPIO电平，生成符合I2C总线协议的时序。

I2C从机：
具备I2C接口的设备器件（例如AT24C02）。硬件连接好后，等待I2C总线访问。

I2C时序

i2c时序.png

空闲状态：
由i2c硬件连接结构图可知，当I2C总线没有数据传输时，SCL和SDA都保持高电平。

起始信号：
总线SCL保持高电平，SDA从高电平将为低电平，即I2C通讯开始。

停止信号：
总线SCL保持高电平，SDA从低电平升为高电平，即本轮I2C通讯结束。

I2C约定：

1. 总线上的一帧数据必须由起始信号开始，停止信号结束。
2. 主设备在发送起始信号后，I2C总线就会处于忙状态，无法再被其他I2C器件访问。停止信号产生后，SCL和SDA都会被重新拉高，主从设备释放对I2C总线的控制。
3. I2C通讯期间，必须在SCL处于低电平状态下，SDA才允许电平变化。
4. I2C总线数据是按字节传输的，当总线一端(主机或从机)发出一字节数据后，会拉高SDA并释放对SDA的控制，等待另一端拉低SDA（应答位），当读取到SDA出现低电平，表示应答位出现，此字节传输成功，通讯继续（例外情况：当主设备不需要从机应答时，则不释放对SDA的控制，自行拉高SDA，表示此字节非应答）。
5. I2C总线上所有的I2C从机设备对应一个唯一的地址。起始信号后主机发出的第一个字节前7位表示从机设备地址；最后一位表示读写标志位（也决定下一字节传输方向）：
   1：向从设备读取数据;
   0：向从设备写入数据

I2C总线一帧数据传输

以上基本了解之后，最主要的就是I2C总线上一帧数据的传输格式了。主要有以下三种情况（绿色部分表示I2C设备器件发送的数据）:

普通的数据发送交互（i2c主机传输）:

i2c写操作

普通的数据接收交互（i2c主机接收）:

i2c读操作

发送接收组合交互（对应i2c传输）：

i2c读写混合操作

在本次交互中，i2c可以在一帧数据中实现读写组合功能，即先写再读或者先读再写功能。在前一个读/写操作完毕后，传输起始位信号代替停止位信号，使交互继续执行。

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开源519.jpg