一、簡(jiǎn)介

I2C(Inter IC Bus)是有飛利浦公司開發(fā)的一種通用數(shù)據(jù)總線，主要通過兩個(gè)通信線SCL和SDA進(jìn)行通信，其中SCL(Serial Clock)是時(shí)鐘線，用于收發(fā)雙方同步數(shù)據(jù)，SDA(Serial Data)是數(shù)據(jù)線，用于傳輸數(shù)據(jù)。是一種同步半雙工的數(shù)據(jù)總線，其有數(shù)據(jù)應(yīng)答功能，支持在總線上掛載多個(gè)設(shè)備。 不少的設(shè)備，比如說常用的0.42寸的OLED顯示器，MPU6050加速度傳感器，AT24C02存儲(chǔ)器模塊，DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊等，都是用I2C協(xié)議

二、硬件電路分析

I2C典型電路如下：

• 所有I2C設(shè)備的SCL連在一起，SDA連在一起
• 設(shè)備的SCL和SDA都需要設(shè)置為開漏輸出模式
• SCL和SDA各配置一個(gè)上拉電阻，阻值一般為4.7k歐姆
  

在I2C中，支持總線掛載多設(shè)備，主要有一主多從，多主多從兩個(gè)模式。在主從控制中，CPU作為總線的主機(jī)的權(quán)利很大，一般掌握著SCL和SDA的控制，而從機(jī)只有在申請(qǐng)發(fā)送數(shù)據(jù)或做出應(yīng)答的時(shí)候，才能從主機(jī)中獲取到SDA的控制權(quán)，而SCL的控制權(quán)任何時(shí)刻都是在主機(jī)手里的。

由于主機(jī)擁有SCL的絕對(duì)控制權(quán)，主機(jī)的SC應(yīng)該L配置成推挽輸出，而從機(jī)的SCL設(shè)置為浮空輸入或者上拉輸入，時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)發(fā)送，所有從機(jī)負(fù)責(zé)接收并且對(duì)齊時(shí)鐘信號(hào)。 對(duì)于SDA，主機(jī)和從機(jī)都可能會(huì)在輸入和輸出之間切換，而如果時(shí)鐘同步?jīng)]做好，可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備同時(shí)對(duì)SDA進(jìn)行操作的情況，如果其中一個(gè)輸出高電平，另外一個(gè)輸出低電平，則會(huì)導(dǎo)致線路短路，另外，協(xié)調(diào)電路中各個(gè)設(shè)備，使得只有一個(gè)設(shè)備在發(fā)送信息，是一件很麻煩的事情。為了避免這種情況，I2C禁止所有設(shè)備輸出強(qiáng)上拉的高電平，采用外置的弱上拉電阻加開漏輸出的電路結(jié)構(gòu)，這也是上述典型電路中的1、2點(diǎn)。

對(duì)于開漏輸出，實(shí)際上的引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是只有下拉接負(fù)極的開關(guān)管，而沒有接正極的上拉開關(guān)管，因此引腳只能輸出0電平或者浮空，而由于外置了上拉電阻，則在浮空的時(shí)候，SDA會(huì)被外置電阻弱上拉為高電平，從而避免了同時(shí)有強(qiáng)下拉和強(qiáng)上拉的情況。這樣子就杜絕了電源短路的情況。

并且這個(gè)設(shè)計(jì)開漏加弱上拉的模式，同時(shí)兼具了輸入和輸出的功能：如果需要輸出，則直接使用開漏輸出進(jìn)行操作，而想要輸入的時(shí)候，則不做操作，直接觀察電平高低。另外，這個(gè)設(shè)計(jì)還有一個(gè)“線與”的性質(zhì)，也就是只要有任意電路輸出低電平，SDA總線就會(huì)處于低電平，這可以讓CPU執(zhí)行多主機(jī)模式下的時(shí)鐘同步和總線仲裁，這是多主多從模式的基礎(chǔ)。同時(shí)，如果發(fā)送SDA總線處于低電平狀態(tài)，則表明有人正在占用SDA

總之，這個(gè)設(shè)計(jì)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1. 避免線路短路
2. 兼顧輸入和輸出
3. 可實(shí)現(xiàn)多主多從

三、I2C時(shí)序基本單元

3.1 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

I2C規(guī)定，I2C的起始條件和終止條件如下：

起始和終止都是由主機(jī)控制，空閑的時(shí)候所有從設(shè)備都需要保持端口浮空。

發(fā)送一個(gè)字節(jié)：
SCL低電平期間，主機(jī)將數(shù)據(jù)一次放在SDA總線上，然后釋放SCL，從機(jī)將在SCL高電平期間讀取數(shù)據(jù)位，所以SCL高電平期間SDA不允許有數(shù)據(jù)變化，依次重復(fù)八次，則發(fā)送一個(gè)字節(jié)。比如說首先主機(jī)拉低SCL，然后將SDA也拉低，表示發(fā)送一個(gè)0，然后保持SDA低電平，釋放SCL，此時(shí)各個(gè)從設(shè)備負(fù)責(zé)讀取SDA電平狀態(tài)0，以此往復(fù)。如果主機(jī)進(jìn)中斷了，停止操作SCL和SDA，那么SCL和SDA則會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)，傳輸暫停，不會(huì)導(dǎo)致傳輸丟失的情況，這是同步時(shí)序的好處。

接收一個(gè)字節(jié)：
SCL低電平期間，從機(jī)將數(shù)據(jù)一次放在SDA線上，然后主機(jī)釋放SCL，主機(jī)會(huì)在SCL高電平期間讀取數(shù)據(jù)。所以SCL高電平期間SDA不允許有數(shù)據(jù)變化，依次重復(fù)八次，則主機(jī)接收一個(gè)字節(jié)

主機(jī)接收和發(fā)送的區(qū)別是，主機(jī)接受之前需要釋放SDA，而發(fā)送之前需要拉低SDA

3.2 發(fā)送和接收應(yīng)答

發(fā)送應(yīng)答：主機(jī)接受完一個(gè)字節(jié)之后，在下一個(gè)時(shí)鐘發(fā)送一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)0表示應(yīng)答，1表示非應(yīng)答
接收應(yīng)答：主機(jī)在發(fā)送完一個(gè)字節(jié)之后，在下一個(gè)時(shí)鐘接收一位數(shù)據(jù)，判斷從機(jī)是否應(yīng)答，數(shù)據(jù)0表示應(yīng)答，數(shù)據(jù)1表示非應(yīng)答。主機(jī)在接受前需要釋放SDA

3.3 數(shù)據(jù)幀分析

有了上面六個(gè)切片，我們就可以將它們組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀了。

指定地址寫
主機(jī)首先需要發(fā)送一個(gè)字節(jié)確定發(fā)送的對(duì)象，該字節(jié)是從機(jī)的地址。從機(jī)地址分為7位地址和10位地址，其中7位地址是廠商按芯片型號(hào)賦值的，而后三位則是可變地址，使得在掛載多個(gè)相同型號(hào)的芯片的時(shí)候可以做出區(qū)分。這個(gè)就是指定從機(jī)步驟。而一個(gè)字節(jié)有8個(gè)位，其中7位用于標(biāo)識(shí)從機(jī)，另外一位是讀寫位，用于表示主機(jī)要進(jìn)行讀操作還是寫操作。

主機(jī)發(fā)送指定從機(jī)字節(jié)后，目標(biāo)從機(jī)會(huì)立馬對(duì)主機(jī)進(jìn)行應(yīng)答，也就是主機(jī)發(fā)送完指定從機(jī)字節(jié)之后，主機(jī)會(huì)釋放SDA，此時(shí)目標(biāo)從機(jī)立馬下拉SDA，表示應(yīng)答，而主機(jī)在下一個(gè)SCL高電平的時(shí)候讀SDA，發(fā)現(xiàn)自己釋放SDA后，SDA仍是低電平，根據(jù)線與設(shè)計(jì)，證明電路中有設(shè)備對(duì)SDA進(jìn)行了下拉操作，也就是有設(shè)備做出了應(yīng)答。

一般來說，指定地址寫在從機(jī)應(yīng)答后，主機(jī)寫的第一個(gè)字節(jié)是指定寫入從機(jī)的哪一個(gè)寄存器，接著再下一個(gè)字節(jié)是寫入的值

指定地址讀
接下來，則根據(jù)讀寫位，進(jìn)行主機(jī)的讀寫操作。如果主機(jī)發(fā)送主機(jī)讀命令，那么在指定從機(jī)之后，會(huì)立馬進(jìn)入主機(jī)讀狀態(tài)，但是此時(shí)還不知道主機(jī)需要讀的是從機(jī)哪一個(gè)寄存器中的值，這怎么辦呢？在支持I2C的設(shè)備中，寄存器地址一般都是線性緊挨排布的。而其中會(huì)有一個(gè)地址指針(假設(shè)位于0x19)，用于指向寄存器，每次讀一次，指針就會(huì)自增一次。因此比如要讀取0xAA的寄存器，那么首先對(duì)指定從機(jī)發(fā)送一個(gè)寫請(qǐng)求，將0x19的內(nèi)存單元寫為0xA9，然后終止。再發(fā)起一次主機(jī)讀，然后指定從機(jī)接收到請(qǐng)求后，0x19自增1，變成0xAA，然后讀出0xAA寄存器中的值。這個(gè)操作被稱為**“指定地址讀”**