总线接口与计算机通信（一）I2C总线

1.  I2C总线的基本概念
    1)发送器（Transmitter)：发送数据到总线的器件
    2)接收器（Receiver)：从总线接收数据的器件
    3)主机（Master)：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件
    4)从机（Slave)：被主机寻址的器件

2. I2C总线的信号传输

1) 3种速率可选择
    标准模式100kbps、快速模式400kbps、最高速率3.4Mbps
2) 具有特定的传输起始、停止条件
    a) 起始条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从高电平向低电平跳变时产生起始条件。 起始条件常常简记为S
    b) 停止条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从低电平向高电平跳变时产生停止条件。 停止条件简记为P

3） 数据传输从确定从机地址开始
    a）多个从机可连接到同一条I2C 总线上，它们之间通过各自唯一的器件地址来区分
    b）一般从机地址由7 位地址位和一位读写标志R/W 组成，7 位地址占据高7 位，读写位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据   
4)  以字节为单位的数据传输方式
    a) I2C 总线以字节（Byte) 为单位收发数据，主机总是先发地址再发数据
    b) 在I2C总线传输数据过程中，每传输一个字节，都要跟一个应答状态位。遵循"谁接收谁产生"的原则，即总是由接收器产生应答位，应答位为0 表示接收器应答 （ACK) ；为1 则表示非应答（NACK)
    c) 如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接收更多的数据时，应当产生非应答来通知发送器

一次iic交互的例子,写AT24C08

    写AT24C08:
    start信号  +  addr + data[N] + stop信号
    {
        .   master发送start信号:     [scl高+sda下降沿]

        2.1. master发送addr: 7位设备地址 + R/W; 发完立刻把电平拉高,等待slave的ack;
                [sda在scl低电平的时候准备数据, 在scl上升沿时发送数据] * 8次
                MSB---先发最高位数据sda.
        2.2. slave收到master的start信号后,就开始监测master的数据了. 收到addr完毕并且发现addr就是自己的时候,马上拉低sda以表明传输有效(这就是所谓ack).

        3.1 主机收到ack后接着发送数据data, 这里是写1个字节,那就和发送addr用同样的方法连续发送8个bit就是了.
        同样,发完立刻把电平拉高,等待slave的ack;
        3.2 slave收到8位data完毕,马上拉低sda以表明传输有效(ack).

        .   master收到ack,马上发送stop信号以关闭通信.

        说明:
        iic协议允许一次连接中传输多个字节,具体最多允许多少个字节看器件(AT24C08允许8个字节连续传输), 但是必须以8bit为单位, 接收方要给一个ack才会继续后面的传输.
        明确start和stop是由master发起的.

    }

 

I2C总线数据传输时序图示

（灰色为主机的工作时隙，白色为从机的工作时隙）

S：起始位（START）

SA：从机地址（Slave Address），7 位从机地址

W：写标志位（Write），1 位写标志 R：读标志位（Read），1 位读标志

A：应答位（Acknowledge），1 位应答

A：非应答位（Not Acknowledge），1 位非应答

D：数据（Data），每个数据都必须是8 位

P：停止位（STOP）

3. I2C 总线具有如下特点
    1) I2C 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。
        不论主机是发送器还是接收器，时钟信号SCL都要由主机来产生。
    2) 读取数据是依据SCL为低时，SDA的电平.
    3) 进行数据传送时，在SCL为高电平期间，SDA线上电平必须保持稳定，只有SCL为低时，才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是高位在前。
    4) 关于时钟:
        由于通讯的时钟是由主机(master)控制的, 所以slave不需要有设置工作频率, master快, slave就快, master慢, slave就慢. (甚至可以时快时慢, 忽快忽慢). 但通常会有一个固定频率.
        现在的I2C都是由集成的模块实现, 集成的模块往往能够满足I2C通讯的最大通讯速度, 所以从这个角度考虑, slave是完全不需要考虑通讯频率的.
    5) . 关于应答信号:
　　　　ACK=0时为有效应答位，说明从机已经成功接收到该字节，若为1则说明接受不成功。　　　　
　　　　主机在读取从机数据时,也会产生ack,但是主机读取最后一个字节时不需要产生ack.

6) 只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。
    7) SDA 和SCL 信号线都必须要加上拉电阻Rp（Pull-Up Resistor)。上拉电阻一般取值3～ 10KΩ
    8) SDA 和SCL 管脚都是漏极开路（或集电极开路)输出结构
    9) 同一IIC总线上同一型号的IC只能最多共挂8片同种类芯片

4. I2C总线注意点
    1) . 在特殊情况下，若需禁止所有发生在I2C总线上的通信，可采用封锁或关闭总线，具体操作为在总线上的任一器件将SCL锁定在低电平即可。
    2) . 如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间，可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进入等待状态。
    3) . 主机完成一次通信后还想继续占用总线在进行一次通信，而又不释放总线，就要利用重启动信号。它既作为前一次数据传输的结束，又作为后一次传输的开始。
    4) . 总线冲突时，按"低电平优先"的仲裁原则，把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。
    5) . SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的。

5. I2C总线在手机上的常见应用

　　所应用范围包括：摄像头、调频收音机芯片、音频编解码芯片、模拟电视、光电鼠标等

IIC 通讯协议 <http://blog.csdn.net/zmq5411/article/details/6085740>

由时序图写出IIC通信的Master代码, 不咋准确，仅作理解使用：

//准备:
void init()              // 初始化
{
    SCL=;
    delay();
    SDA=;
    delay();
}    

/*从下面开始, delay()的主要作用是维护周期.*/

//generate Start signal
void start()           // 启动信号
{
    SDA=;
    delay();
    SCL=;
    delay();
    SDA=;
    delay();
}
//generate Stop signal
void stop()            // 停止信号
{
    SDA=;
    delay();
    SCL=;
    delay();
    SDA=;
    delay();
}
// ACK
// 个人感觉这个ACK处理的不太好, 半个周期内理想条件下SDA已经置为1,这个时候SCL拉高没有问题. 但如果从机响应较慢呢? 就会形成 SCL=1 + SDA下降沿, 那就形成了一个start信号. 
//   如果只是一个slave,这没什么,但是对于带了多个slave的总线,其他slave就进入接收预备状态,不太符合情理.
//   应该在这里可以多等一下,保证主机拉高sda以及从机拉低sda的过程均在SCL=0的时候完成. 即在SCL=1之前再加入delay,并且在SCL=1之前就可以读SDA了,读到ack之后再拉高.
void wait_ack()             //等待回应信号
{
    uchar i=;
    SCL=;
    delay(); //这个delay是为了维持半个周期.
    while((SDA==)&&(i<)) //slave的ack会将sda拉低. 这里为什么要等255个循环? 是为了等待ack.
    {
        i++;
    }
    SCL=; //读到ack之后又拉低SCL, 准备下一个周期
    delay();
}     

// writebyte
void writebyte(uchar date) // 写一个字节
{
    uchar i, temp;
    temp = date;
    for(i=;i<;i++)
    {
        Temp = temp<<;
        SCL = ;
        delay();
        SDA = CY;
        delay();
        SCL = ;
        delay();
    }
    SCL = ;
    delay(); // 这个delay是为了等待SCL稳定过渡到低电平同时维持半个周期的时间.
    SDA = ; // 发完立刻把电平拉高,等待slave的ack;
    delay(); // 这个delay是为了维持半个周期的时间.
}     

//readbyte
uchar readbyte()//读一个字节
{
    uchar i, j, k;
    SCL=;
    delay();
    SDA=;
    for(i=;i<;i++)
    {
        SCL=;
        delay();
        if(SDA==)
            j=;
        else
            j=;
        k=(k<<)|j;
        SCL=;
        delay();
    }
    delay();
    return k;
}    

// write_add
void write_add(uchar address, uchar info)//指定地址写一个字节数据
{
    start();
    writebyte(0xa0);//这是一个从机芯片硬件的地址+ /W信号，不同芯片会不一样
    wait_ack();//等待应答
    writebyte(address);//这是指定从机芯片的内部存储地址
    wait_ack();
    writebyte(info);
    wait_ack();
    stop();
}

// read_add
uchar read_add(uchar address)//指定地址读一个字节数据
{
    uchar dd;
    start();
    writebyte(0xa0); //这是一个从机芯片硬件的地址+ /W 信号，不同芯片会不一样
    wait_ack();
    writebyte(address);
    wait_ack();
    start();
    writebyte(0xa1);//这是一个从机芯片硬件的地址+ R信号，不同芯片会不一样
    wait_ack();
    dd=readbyte();
    stop();
    return dd;
} 

参考：

• 常见接口电路介绍 <http://wenku.baidu.com/link?url=rPXAWPV1DLttBOy6O2-8g4jq2VZBnv4v70bCixoCU6l2I6Yuc9reQ-I99_njImH1tVKolXSkpUCmL65Bx2-yeLMNzXTBNd-cjf2OV60mwBK###>

• 浅谈I2C总线 http://blog.csdn.net/bluewhaletech/article/details/37876111，bluewhaletech

• 普通IO口模拟实现I2C通信及应用解析 http://blog.csdn.net/bluewhaletech/article/details/38706093，bluewhaletech