I2C-双向二线制同步串线总线-IIC-详细理解整理
1、简介
I2C总线是由Philips（飞利浦）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。
SDA（串行数据线） ----> 双向 I/O 线，需通过上拉电阻接电源VCC。
SCL （串行时钟线） ----> 总线空闲时，两根线都是高电平。
每个连到总线的器件都有 唯一的地址。
I2C总线是一个多 master 总线，通过仲裁防止数据破坏，但同一时刻只允许有一个 master 。
可编程器件既可作为 master 也可作为 slave。任何器件都可以作为transmitter 或 receiver。
2、术语
master （主机） ：初始化start数据传送，产生时钟信号，stop数据传送的器件。
slave （从机） ：被寻址的器件均被认为是从器件
transmitter（发送器）：发送数据到总线的器件
receiver （接收器）：从总线接收数据的器件
仲裁：多个主机同时想控制总线，只允许一个主机控制总线并使报文不被破坏的过程
在总线上主和从、从和收、发的关系不是恒定的，取决于此时数据传送方向。
I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信。
3、仲裁
I2C总线上的仲裁分两部分：SCL线的同步和SDA线的仲裁。
3.1、SCL线的同步（时钟同步）
SCL同步，是由于总线具有线“与”的逻辑功能。
只要有一个器件发低电平时，总线就为低电平。
所有的器件都发高电平时，总线才为高电平。
SCL 时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件决定，
SCL 时钟的高电平周期由高电平时钟周期最短的器件决定。
（1）、SCL 线的高->低切换会使器件开始数它们的低电平周期，而且一旦器件的时钟变低电平，它会使 SCL 线保持这种状态直到到达时钟的高电平。
（2）、如果另一个时钟仍处于低电平周期，这个时钟的低到高切换不会改变 SCL 线的状态，因此SCL 线被有最长低电平周期的器件保持低电平。此时低电平周期短的器件会进入高电平的等待状态。
（3）、当所有有关的器件数完了它们的低电平周期后，时钟线被释放并变成高电平。所有器件会开始数它们的高电平周期，首先数完成高电平周期的器件会再次SCl线拉低。
3.2、SDA仲裁
SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的。节点在发送 1 bit数据后，比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致。一致，就继续发送；不一致，退出竞争。
SDA线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个master同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。总线系统通过仲裁只允许一个master可以继续占据总线。
说明：
DATA1和DATA2分别是两个master向总线所发送的数据信号，SDA为总线上所呈现的数据信号，SCL是总线上所呈现的时钟信号。
仲裁过程：
当master1、2同时发送start时，两个主机都发送了高电平信号。这时总线上呈现的信号为高电平，两个主机都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。
第2个T，2个主机都发送低电平信号，在总线上呈现的信号为低电平，仍继续发送数据。在第3个T ，主机1发送高电平信号，而主机2发送低电平信号。根据总线的线“与”的逻辑功能，总线上的信号为低电平，这时主机1检测到总线上的数据和自己所发送的数据不一样，就断开数据的输出级，转为从机接收状态。这样主机2就赢得了总线，而且数据没有丢失，即总线的数据与主机2所发送的数据一样，而主机1在转为从机后继续接收数据，同样也没有丢掉SDA线上的数据。因此在仲裁过程中数据没有丢失。
4、常见的器件
| 器件名 | 主机/从机 | 发送器/接收器 |
|---|---|---|
| 微控制器 | master、slave | transmitter、receiver |
| 存储器 | slave | transmitter、receiver |
| es8388 | slave | transmitter、receiver |
| LCD驱动器 | slave | receiver |
5、特征
数据单位：以字节（8位）为单位进行双向传输，高位在前。
传输字节数量：不受限制。
器件地址：7bit，还有1个bit预留给读写标志位，代表传输方向。
传输速率：
标准模式 100 kbit/s，
快速模式 400 kbit/s，
高速模式 3.4 Mbit/s。
6、传输条件
传输必须以一个起始信号（start）作为开始条件。当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件。
传输必须以一个结束信号（stop）作为停止条件。当SCL为高电平而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。
start和stop都是由master产生的。
起始条件后总线被认为处于忙（busy）的状态， 在停止条件后总线被认为再处于空闲（idle）状态。
7、数据传输
master在SCL产生单个时钟脉冲，transmitter将在SDA上传输一个bit。一个byte按高位到低位的顺序传完后，紧接着receiver回复ACK。每个字节后必须跟一个响应位。
ACK （acknowledge 告知已收到） ： receiver已经成功地接收了该字节。
NACK（not acknowledge 告知未收到） ：一般表示receiver没有成功接收该字节。
7.1、响应（ACK）如何产生？
传送数据时，SCL高电平期间，SDA上电平必须稳定。
低电平为数据0，高电平为数据1。
在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。
在响应的时钟脉冲期间transmitter释放SDA线，receiver将 SDA 线拉低（ACK）。
7.2、不响应（NACK）如何产生？
当slave不能响应address时，slave必须使SDA保持高电平（NACK）。
当slave响应了address，但不能接收更多字节，需slave 在last byte后产生NACK。
当有master receiver，它必须在接收完last byte后产生一个NACK，向slave transmitter通知结束。
7.3、slave如何响应从机address？
当master发送slave地址到总线上，系统中的每个器件都在起始条件后，将总线上前7 位与自己的地址比较，如果一样器件会认为被寻中，回复ACK，至于是从机 receiver还是从机transmitter都由 R/ W 位决定。
例如：上图发出的地址数据是0x40，前7位是0x20，被寻址的器件做从机 receiver
8、时序
第1种：master往slave写数据
第2种：master往slave写数据，再从slave读数据
第3种：master从slave读数据
8.1、master往slave写数据（传输方向不变）
假设微控制器 A ，发送数据到，微控制器 B，传输数据过程如下：
规则：
示例：
slave地址 : 0x20
写标志 : 0x00
寄存器地址 : 0x03
数据 : 0x00 , 0x01
byte1 = ( slave地址<< 1 ) | 写标志 = 0100 0000 = 0x40
8.2、master往slave写数据，再从slave读回数据（传输方向改变）
假设微控制器 A ，想先往微控制器 B写数据，再从微控制器 B接收信息，传输数据过程如下：
规则：
示例：
slave地址 : 0x20
数据 : 0x01
寄存器地址 : 0x01
读写标志 : 0x00（写），0x01（读）
Sr : 重复开始
byte1 = ( slave地址<< 1 ) | 写标志 = 0100 0000 = 0x40
byte3 = ( slave地址<< 1 ) | 读标志 = 0100 0001 = 0x41
8.3、master从slave读数据
假设微控制器 A ，想直接从微控制器 B，接收信息，传输数据过程如下：
规则：
示例：
假如slave地址 : 0x20
读标志 : 0x01
byte1 = ( slave地址<< 1 ) | 读标志 = 0100 0001 = 0x41
9、IIC控制器描述
支持 IIC Master/Slave 模式，master时支持7位和10位寻址；
支持 IIC transmitter 和 receiver 功能；
Controller slave 为7位地址，可配置，支持地址广播呼叫；
IIC 总线速率可配置；
支持中断和查询操作方式操作。
9.1、寄存器分类
（1）控制寄存器
（2）参数寄存器
（3）中断相关寄存器
（4）状态寄存器
（5）数据发送寄存器、数据接收寄存器
（6）Slave地址寄存器
10、实测图片
10.1、高低电平宽度
10.2、START/STOP hold time
10.3、DATA hold time
