I2C通信特征

1.1、物理接口：SCL + SDA

(1)SCL(serial clock)：時鐘線，傳輸CLK信號，一般是I2C主設備向從設備提供時鐘的通道。

(2)SDA(serial data): 數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)都通過SDA線傳輸

1.2、通信特征：串行、同步、非差分、低速率

串行：只有一根數(shù)據(jù)線，每次傳輸一個bit位;

同步：主設備和從設備的工作時鐘頻率是一樣的，主設備通過SCL時鐘線給從設備提供時鐘頻率;

非差分：因為I2C通信速率不高，而且通信雙方距離很近，一般是板級通信，所以使用電平信號通信;

低速率：I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通信，而且用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以本身通信速率很低。一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體在編程的時候要看自己所使用的設備允許的I2C通信最高速率，不能超過這個速率;

1.3、通信模式：主設備+從設備

(1)I2C通信時，通信設備之間的地位是平等的，分為主設備和從設備，其中主設備一個、從設備多個。主設備要主導整個通信過程，從設備根據(jù)I2C協(xié)議被動的響應主設備;

(2)在I2C通信中，沒有規(guī)定誰做主設備、誰做從設備，是通信雙方自己協(xié)商的。一個設備在同一時間只能做主設備或者從設備，但是有的設備可以通過軟件配置來決定在此次通信時做主設備還是從設備。

I2C總線是Philips公司在八十年代初推出的一種串行、半雙工的總線，主要用于近距離、低速的芯片之間的通信;I2C總線有兩根雙向的信號線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時鐘線SCL用于通信雙方時鐘的同步;I2C總線硬件結構簡單，簡化了PCB布線，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性，因此在各個領域得到了廣泛應用。

I2C總線是一種多主機總線，連接在 I2C總線上的器件分為主機和從機。主機有權發(fā)起和結束一次通信，從機只能被動呼叫;當總線上有多個主機同時啟用總線時，I2C也具備沖突檢測和仲裁的功能來防止錯誤產(chǎn)生;每個連接到I2C總線上的器件都有一個唯一的地址(7bit)，且每個器件都可以作為主機也可以作為從機(但同一時刻只能有一個主機)，總線上的器件增加和刪除不影響其他器件正常工作;I2C總線在通信時總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的器件為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。

I2C總線可以通過外部連線進行在線檢測，便于系統(tǒng)故障診斷和調試，故障可以立即被尋址，軟件也有利于標準化和模塊化，縮短開發(fā)時間。

I2C總線上可掛接的設備數(shù)量受總線的最大電容400pF限制。

串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標準模式下可達100Kbit/s，快速模式下可達400Kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。

總線具有極低的電流消耗，抗噪聲干擾能力強，增加總線驅動器可以使總線電容擴大10倍，傳輸距離達到15m;兼容不同電壓等級的器件，工作溫度范圍寬。

2、通信過程

主機發(fā)送起始信號啟用總線

主機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機地址和后續(xù)字節(jié)的傳送方向

被尋址的從機發(fā)送應答信號回應主機

發(fā)送器發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)

接收器發(fā)送應答信號回應發(fā)送器

…….. (循環(huán)步驟4、5)

通信完成后主機發(fā)送停止信號釋放總線

第4步和第5步用的是發(fā)送器和接收器，不是主機和從機，這是由第一個字節(jié)的最后一位決定主給從發(fā)，還是從給主發(fā)。

也就是說，第一個字節(jié)和最后的停止信號一定是主機發(fā)給從機，但中間就不一定了。

發(fā)送數(shù)據(jù)過程中不允許改變發(fā)送方向(除非重啟一次通信，詳見后文典型I2C時序(3)部分)。

3、尋址方式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)是廣義的，既包括地址，又包括真正的數(shù)據(jù)。

主機在發(fā)送起始信號后必須先發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的高7位為從機地址，最低位表示后續(xù)字節(jié)的傳送方向，‘0’表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)給->從機，‘1’表示從機發(fā)送數(shù)據(jù)給->主機。

總線上所有的從機接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)后都將這7位地址與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己被主機尋址，然后再根據(jù)第8位將自己定為發(fā)送器或接收器。

4、起始信號和停止信號

SCL為高電平時，SDA由高變低表示起始信號;

SCL為高電平時，SDA由低變高表示停止信號;

起始信號和停止信號都是由主機發(fā)出，起始信號產(chǎn)生后總線處于占用狀態(tài)，停止信號產(chǎn)生后總線被釋放，處于空閑狀態(tài)。

空閑時，SCL與SDA都是高電平。

I2C(IIC)屬于兩線式串行總線，由飛利浦公司開發(fā)用于微控制器(MCU)和外圍設備(從設備)進行通信的一種總線，屬于一主多從(一個主設備(Master)，多個從設備(Slave))的總線結構，總線上的每個設備都有一個特定的設備地址，以區(qū)分同一I2C總線上的其他設備。

物理I2C接口有兩根雙向線，串行時鐘線(SCL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)組成，可用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但是通信都是由主設備發(fā)起，從設備被動響應，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

I2C主設備與從設備的一般通信過程

一. 主設備給從設備發(fā)送/寫入數(shù)據(jù)：

1.主設備發(fā)送起始(START)信號

2. 主設備發(fā)送設備地址到從設備

3. 等待從設備響應(ACK)

4. 主設備發(fā)送數(shù)據(jù)到從設備，一般發(fā)送的每個字節(jié)數(shù)據(jù)后會跟著等待接收來自從設備的響應(ACK)

5.數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，主設備發(fā)送停止(STOP)信號終止傳輸

二. 主設備從從設備接收/讀取數(shù)據(jù)

1.設備發(fā)送起始(START)信號

2. 主設備發(fā)送設備地址到從設備

3. 等待從設備響應(ACK)

4.主設備接收來自從設備的數(shù)據(jù)，一般接收的每個字節(jié)數(shù)據(jù)后會跟著向從設備發(fā)送一個響應(ACK)

5.一般接收到最后一個數(shù)據(jù)后會發(fā)送一個無效響應(NACK)，然后主設備發(fā)送停止(STOP)信號終止傳輸

注：具體通信過程需視具體時序圖而定

I2C通信的實現(xiàn)

一.使用I2C

控制器

實現(xiàn)

就是使用芯片上的I2C外設，也就是硬件I2C，它有相應的I2C驅動電路，有專用的IIC引腳，效率更高，寫代碼會相對簡單，只要調用I2C的控制函數(shù)即可，不需要用代碼去控制SCL、SDA的各種高低電平變化來實現(xiàn)I2C協(xié)議，只需要將I2C協(xié)議中的可變部分(如：從設備地址、傳輸數(shù)據(jù)等等)通過函數(shù)傳參給控制器，控制器自動按照I2C協(xié)議實現(xiàn)傳輸，但是如果出現(xiàn)問題，就只能通過示波器看波形找問題。

二.使用GPIO通過軟件

模擬

實現(xiàn)

軟件模擬I2C比較重要，因為軟件模擬的整個流程比較清晰，哪里出來bug，很快能找到問題，模擬一遍會對I2C通信協(xié)議更加熟悉。

如果芯片上沒有IIC控制器，或者控制接口不夠用了，通過使用任意IO口去模擬實現(xiàn)IIC通信協(xié)議，手動寫代碼去控制IO口的電平變化，模擬IIC協(xié)議的時序，實現(xiàn)IIC的信號和數(shù)據(jù)傳輸，下面會講到根據(jù)通信協(xié)議如何用軟件去模擬。

I2C通信協(xié)議

IIC總線協(xié)議無非就是幾樣東西：起始信號、停止信號、應答信號、以及數(shù)據(jù)有效性。

一. 空閑狀態(tài)

時鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)接上拉電阻，默認高電平，表示總線是空閑狀態(tài)。

二. 從設備地址

從設備地址用來區(qū)分總線上不同的從設備，一般發(fā)送從設備地址的時候會在最低位加上讀/寫信號，比如設備地址為0x50，0表示讀，1表示寫，則讀數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x50，寫數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x51。