I2C通信——I2C通信的基础介绍

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一、I2C通信的简介

1、物理接口

（1）SCL(serial clock)

时钟线，传输CLK信号，一般是I2C主设备向从设备提供时钟的通道。

（2）SDA(serial data)

数据线，通信数据（命令、地址、数据）都通过SDA线传输。

2、通信特征

（1）串行通信

所有的数据以比特为单位在SDA线上串行传输，但每次传输8bit。

（2）同步通信

通信双方工作在同一个时钟。A方通过CLK信号线传输时钟给B，B工作在A传输的时钟下。

（3）电平信号

因为I2C通信速率不高，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信。

（4）低速率通信

I2C一般用在同一个板子上的2个IC之间，传输的数据量不大，因此本身通信速率很低。一般几百KHz，不同I2C芯片的通信速率可能不同，在编程的时候要看具体设备允许的I2C通信最高速率。

3、突出特征

（1）分为主设备与从设备

通信由主设备发起和主导，从设备只是按照I2C时序协议被动地接受主设备的通信。
谁是主从设备，由通信双方来决定，I2C协议并无规定。
（2）允许多个从设备挂在一条总线上

主设备负责调度总线，决定某一时间与哪个从设备通信。
同一时刻，只能有一个从设备和主设备通信，其他从设备处于休眠状态。
每个I2C从设备在通信中都有一个I2C从设备地址，它是从设备本身固有的属性。这个地址在电路板上是唯一的，但不是全球唯一的。这个地址共7个bit，理论上有128个地址，但有几个保留地址如广播地址0x00等，因此数量少于128个。另外标准协议里预见了地址的局限性，扩充了10位地址的概念。
系统中可能有多个同种芯片，因此从设备的地址分为固定部分和可编程部份。
通信时主设备需要知道从设备的地址，然后在通信中通过地址来甄别是不是自己要找的那个从设备。
IIC可以挂多少个设备？对于同一个地址的设备来说，在不进行地址扩充（片选）的情况下只能挂一个；对于不同的设备来说，标准协议里面没有限制具体的数量，这个由线路布线情况、软件情况以及工作模式确定。对于标准模式，只要总线上的负载电容不超过400pf，不超过芯片的负载能力既可以。
（3）采用大端传输方式

SDA传输数据是大端传输，每次传输的有效数据都是1个字节。

4、应用领域

SoC和周边外设之间的通信，典型的如EEPROM、电容触摸IC、各种sensor等。

二、I2C通信的协议

1、I2C通信的内容

（1）开始信号、结束信号

由上图可知，SDA总线空闲是1，且只有下拉操作，故1->0是开始信号，0->1是结束信号。

SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

（2）位传输

SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit。

若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束（如上面讲的）。

SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit，比如原来传输1，接下来传输0。

（3）应答信号

SDA传输完一个字节后，主机会释放SDA线（传送的数据最后一位若是0，则取消下拉恢复为高电平1，或者最后一位本来就是1），释放后SDA处于高电平的状态，从机就可以控制SDA线了。若从机下拉SDA线并且主机从SDA读到了这一个低电平，则表示从机发送了一个确认信号0；若从机不下拉SDA，则主机读到SDA依然是高电平，故表示一个非应答信号1，这会引起Master发生RESTART或STOP流程

2、数据在总线上的传输协议

这里的读写，是从主机对总线的操作这个角度来说的。比如写，是指主机写数据到总线，那么从机从总线读数据；比如读，是指主机读取总线的数据，那么从机写数据到总线。

（1）write命令

如果为write命令，则主设备释放总线（If the I2C-bus is free, both SDA and SCL lines should be both at High level），即SDA为高位；然后从设备拉低SDA，表示ACK主设备；然后主设备再发送8bit数据，从设备再ACK(A)，通信结束(P)。

写寄存器的标准流程：

1.    Master发起START

2.    Master发送I2C addr（7bit）和 W操作0（1bit），等待ACK

3.    Slave发送ACK

4.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK

5.    Slave发送ACK

6.   Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK

7.    Slave发送ACK

8.    第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器

9.    Master发起STOP

（2）read命令

如果为read命令，则从设备先拉低SDA表示ACK主设备，然后再发送8bit数据。主设备拉低SDA表示ACK从设备（我已经读取8bit的数据），之后结束。

读寄存器的标准流程

1、Master发送I2Caddr（7bit）和 W操作1（1bit），等待ACK

2.   Slave发送ACK

3.   Master发送reg addr（8bit），等待ACK

4.   Slave发送ACK

5.   Master发起START

6.   Master发送I2C addr（7bit）和 R操作1（1bit），等待ACK

7.   Slave发送ACK

8.   Slave发送data（8bit），即寄存器里的值

9.   Master发送ACK

10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

（3）总结

每一个通信周期的发起和结束都由主设备进行，从设备只有被动的响应主设备。
主设备先发送8位的从设备地址，其中7位是从设备地址，1位表示主设备接下来是要写数据到总线，还是从总线读取数据。主设备以广播的形式发送，总线上的所有从设备都能收到这个信息。从设备收到地址后，与本身的设备地址对比。
发送方发送一段数据后，接收方需要回应一个ACK，表示收到数据。
在某个时刻，主设备和从设备只能有一个在发（发数据，即向总线写数据，这会占用总线），另一个在收（从总线读）。
换个角度总结如下：

起始位及其后的8个clk中都是主设备在发送（主设备掌控总线），此时从设备只能读取总线，通过读总线来得知主设备发给从设备的信息；
然后到了第9周期，按照协议规定从设备需要发送ACK给主设备，所以此时主设备必须释放总线（主设备把总线置为高电平然后不要动），同时从设备试图拉低总线发出ACK。
如果从设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高。这意味着主设备没有收到ACK，主设备就认为刚才给从设备发送的8字节不对。