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产业气象站|一篇文章讲透I2C总线协议

最近一段时间工作上比较忙 ， 一直没有抽出空来写文章与大家分享 ， 这两天腾出些时间静下心来沉淀一番 。 看标题大家已经知道了是来总结I2C总线 ， 我相信大家或多或少的都接触过I2C总线 ， 这篇文章我们就由浅入深的仔细来研究研究 ， 看看能不能挖掘些新东西 ， 加深一下理解 。
先说概念
I2C英文全称Inter-IntegratedCircuit ， 字面意思是集成电路之间 ， 也就是我们常说的I方C总线—I2Cbus 。 它是一种串行通讯总线 ， 使用多主从架构 ， 由飞利浦公司（恩智浦NXP的母公司）在80年代开发 ， 用于主板、嵌入式系统连接周边低速设备 。
I2C由两条双向开漏线组成 ， 这是一个很大的优势 ， 接线简单 。 两条线利用上拉电阻将电位上拉 。 典型电位为+3.3V或+5V 。 标准传输速率为100Kb/s ， 低速模式10Kb/s 。
物理层
下图为I2C总线的物理拓扑图 ， 大家可以看到一共只有两条总线 ， 一条SDA(serialdata)数据线用来承载数据、一条SCL(serialclockline)时钟线用来控制数据收发时序 。 所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上 ， SCL都接到了总线的SCL上 。 每个设备都有自己的唯一地址 ， 以保证设备之间访问的准确性 。
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I2C总线的物理拓扑图
I2C在物理层的连接可以说是非常简单 ， 这也是它最大的优势 ， 原理就是通过控制SDA和SCL线的高低电平时序 ， 来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据传输 。 在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高 ， 保持高电平 。
需要注意的是I2C的通讯方式为半双工 ， 因为只有一条数据线 ， 某一时刻只可能单向通讯 。 这也说明了I2C不适合大数据量的传输应用 。
对于主机、从机的区分很简单 ， 发布主要命令的就是主机 ， 接受命令的就是从机 ， 同一条I2C总线允许多个主机的存在 。
协议层
作为基础我们先来了解几个重要的小概念 。
1、初始状态(即空闲状态)：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；2、开始信号：当SCL为高电平的时候 ， SDA被拉低 ， 此为开始信号 ， 表明通讯开始 。 3、终止信号：当SCL为高电平的时候 ， SDA被拉高 ， 此为终止信号 ， 表明本次通讯结束 。
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到这里大家有没有发现点什么？当SCL处于高电平的时候 ， SDA电平一旦变化就会是一种信号 ， 要么开始要么是终止 。 所以在数据传输过程中 ， SCL处于高电平时 ， SDA必须保持状态稳定 ， 只有SCL处于低电平时SDA才可以变化 。
4、应答信号：当发送器向接收器发送完一个字节/8位数据后 ， 第9个时钟周期内 ， 接收器必须给发送器一个应答信号 ， 这样数据才算传输成功 。 高电平表非应答 ， 低电平表应答 。
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我们了解这几个信号状态后 ， 来一步一步看看数据是如何传输的 。
1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始信号+设备地址(7位)+读/写(1位)+等待从机应答+寄存器地址(8位)+等待从机应答+要写的数据(8位)+等待从机应答+终止信号 。 下图为24C02EEPROM存储器写数据的时序图 。
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2、写我们见识了 ， 那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图 ， 是不是一目了然了 。 值得注意的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1 。 这里说一下为什么最后是NOACK ， 在“读”这个操作下 ， 主机为接收器 ， 主机的NOACK表示停止接收24C02的数据 ， 不然24C02会继续发 。


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