[I2C].I2C总线详解

转自：https://www.cnblogs.com/BitArt/archive/2013/05/27/3101037.html

一. 基本信息

1. 概述

I²C 是Inter-Integrated Circuit的缩写，发音为"eye-squared cee" or "eye-two-cee" , 它是一种两线接口。

I²C 只是用两条双向的线，一条 Serial Data Line (SDA) ，另一条Serial Clock (SCL)，也因为有clk同步，所以是个同步总线，又因为只有一根数据线，要么主发从收，要么主收从发，所以是一个半双工总线。

SCL：上升沿将数据输入到每个I2C接口的EEPROM器件中；下降沿驱动EEPROM器件输出数据。(边沿触发)SDA：双向数据线，为OD门，与其它任意数量的OD与OC门成"线与"关系。

2. 输出级

每一个I2C总线器件内部的SDA、SCL引脚电路结构都是一样的，引脚的输出驱动与输入缓冲连在一起。其中输出为漏极开路的场效应管，输入缓冲为一只高输入阻抗的同相器，这种电路具有两个特点：1)由于SDA、SCL为漏极开路结构(OD)，因此它们必须接有上拉电阻,阻值的大小常为 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 时性能最好；当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线"与"关系。2)引脚在输出信号的同时还将引脚上的电平进行检测，检测是否与刚才输出一致，为"时钟同步"和"总线仲裁"提供了硬件基础(原理???)。

3. 主设备与从设备

系统中的所有外围器件都具有一个7位的"从器件专用地址码"，其中高4位为器件类型，由生产厂家制定，低3位为器件引脚定义地址，由使用者定义。在使用中，地址字节中，还有1bit代表当前是读还是写。主控器件通过地址码建立多机通信的机制，因此I2C总线省去了外围器件的片选线，这样无论总线上挂接多少个器件，其系统仍然为简约的二线结构(区别于SPI, SPI也可以挂载多个，但是通过cs片选)。终端挂载在总线上，有主端和从端之分，主端必须是带有CPU的逻辑模块，在同一总线上同一时刻使能有一个主端，可以有多个从端，从端的数量受地址空间和总线的最大电容 400pF的限制。　　

• 主端主要用来驱动SCL line, 即clock由主发出；
• 从设备对主设备产生响应；

二者都可以传输数据，但是从设备不能发起传输，且传输是受到主设备控制的(I2C从设备不可以主动发数据，必须主发起，和485并不相同，485是可以通过协议实现从主动上报，常规I2C会这么设计吗???)。

4. 速率：

　　普通模式：100kHz；

　　快速模式：400kHz；

　　高速模式：3.4MHz；

　　没有任何必要使用高速SCL，将SCL保持在100k或以下，然后忘了它吧。

二.协议

1.空闲状态 　

I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

2.起始位与停止位的定义

• 起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号(边沿)，而不是一个电平信号。
• 停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号(边沿)，而不是一个电平信号。

3.ACK

3. I2C的ACK和NACK机制

从设备在完整收到主设备的一个字节后，从设备拉低1bit的SDA数据线，通知主设备成功接收，即ACK。

发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号，主的每个字节，从都对应有ACK或者NACK。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。 对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。

如下图逻辑分析仪的采样结果：释放总线后，如果没有应答信号，sda应该一直持续为高电平，但是如图中蓝色虚线部分所示，它被拉低为低电平，证明收到了应答信号。
这里面给我们的两个信息是：1)接收器在SCL的上升沿到来之前的低电平期间拉低SDA；2)应答信号一直保持到SCL的下降沿结束；正如前文红色标识所指出的那样。

4.数据的有效性

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定(即clock高电平为采样时间)，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

我的理解：虽然只要求在高电平期间保持稳定，但是要有一个提前量，也就是数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好，因为在前面I2C总线之(一)---概述一文中已经指出，数据是在SCL的上升沿打入到器件(EEPROM)中的。

5.数据的传送

在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

三.工作过程

总线上的所有通信都是由主控器引发的。在一次通信中，主控器与被控器总是在扮演着两种不同的角色。

I2C的从机地址为7bit，剩余的一个bit代表本次是读还是写

如下面的写和读示例，能看出来，特别是读的时候，主先把从机地址+writebit+读寄存器地址发出去，然后再发出从机地址+readbit，最后等待接收；写的话直接从机地址+writebit+Data就可以。

1.主设备写入数据

　　主设备发送起始位，这会通知总线上的所有设备传输开始了，接下来主机发送设备地址，与这一地址匹配的slave将继续这一传输过程，而其它slave将会忽略接下来的传输并等待下一次传输的开始(从器件属性来看，非地址器件丢掉其他数据包)。主设备寻址到从设备后，发送它所要读取或写入的从设备的内部寄存器地址； 之后，发送数据。数据发送完毕后，发送停止位：

I2C接口EEPROM写入过程如下：

• 发送起始位
• 发送从设备的地址+读/写选择位，从机ACK
• 发送想要写入的内部寄存器地址，从机ACK
• 发送数据，从机ACK
• 发送停止位
• 从设备收到停止信号后，进入到一个内部的写入周期，大概需要10ms(看来EEPROM的10ms是业内通用的???)，此间任何操作都不会被从设备(如EEPROM)响应；(因此以这种方式的两次写入之间要插入一个延时，否则会导致失败，博主曾在这里小坑了一下)

　　详细：

　　需要说明的是：主控器通过发送地址码与对应的被控器建立了通信关系，而挂接在总线上的其它被控器虽然同时也收到了地址码，但因为与其自身的地址不相符合，因此提前退出与主控器的通信；

2.主控器读取数据

　　读的过程比较复杂，在从slave读出数据前，你必须先要告诉它哪个内部寄存器是你想要读取的，因此必须先对其进行写入(dummy write)：

• 发送起始位
• 发送slave地址+write bit set，从机ACK
• 发送内部寄存器地址，从机ACK
• 重新发送起始位，即restart
• 重新发送slave地址+read bit set，从机ACK
• 读取数据，主机ACK
• 主机接收器在接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号。于是，从机发送器释放SDA线，以允许主机发出P信号结束传输。
• 发送停止位

详细： 

为了加深对I2C总线的理解，用C语言模拟IIC总线，边看源代码边读波形：

如下图所示的写操作的时序图：