I2C通信協議介紹

I2C總線是PHLIPS公司在20世紀80年代推出的一種串行總線。具備引腳少，硬件實現簡單，可擴展性強的優勢。I2C總線的另外一優勢是支持多主控，總線上任何可以進行發送/接收數據的設備均可以佔領總線。固然，任意時間點上只能存在一個主控。

  I2C便是一種總線，也是一種通信協議。在嵌入式開發中，通信協議可分爲兩層：物理層和協議層。物理層是數據在物理媒介傳輸的保障；協議層主要是規定通信邏輯，同一收發雙方的數據打包、解包標準。打個比方，物理層至關於現實中的公路，而協議層則是交通規則，汽車能夠在路上行駛，可是須要交通規則對行駛規則進行約束，否則將出現危險，也就是數據傳輸紊亂、丟包。

1. 物理層
I2C通信系統接線圖以下： 

(1) 在I2C通信總線上，可鏈接多個I2C通信設備，支持多個通信主機和多個通信從機 
(2) I2C通信只須要兩條雙向總線：串行數據線(SDA)，串行時鐘線(SCL)。數據線用於傳輸數據，時鐘線用於同步數據收發 
(3) 每一個鏈接到總線的設備都有一個獨立的地址，主機正是利用該地址對設備進行訪問 
(4) SDA和SCL總線都須要接上上拉電阻，當總線空閒時，兩根線均爲高電平。鏈接到總線上的任意器件輸出低電平都會將總線信號拉低。即各器件的SDA和SCL都是線與的關係 
(5) 多個主機同時使用總線時，須要用仲裁方式決定哪一個設備佔用總線，否則數據將會產生衝突 
(6) 串行的8位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100kbps，快速模式下可達400kbps，高速模式下可達3.4Mbps(目前大多數I2C設備還不支持高速)

2. 協議層
協議層規約了通信的起始、中止信號，數據有效性、響應、衝裁同步、地址廣播等。

2.1 通信的起始信號/結束信號
在SCL線爲高電平期間，SDA線由高電平向低電平轉換表是起始信號。 

在SCL線爲高電平期間，SDA線由低電平向高電平轉換表是結束信號。 

  起始/結束信號都是由主機發出的，在起始信號產生後，總線就處於被佔用的狀態；在結束信號產生後，總線就處於空閒狀態。

須要注意的兩點： 
(1) 接收器件接收到一個完整的數據字節後，可能須要完成一些其餘工做，如處理內部接收中斷服務函數等，這就沒法當即接收下一字節的數據，這時接收器件可將SCL線拉成低電平，從而使得主機處於等待狀態。直至接收器件準備好接收下一字節數據時再釋放SCL線使之爲高電平。 
(2) 鏈接到I2C總線上的器件，若具備I2C總線控制器那麼很硬件會自動檢測到起始、結束信號，而對於不具有I2C總線控制器的器件(單片機)來講，須要在每一個時鐘週期內保證對數據線SDA採樣兩次，捕獲是否接收到起始/結束信號。

2.2 數據傳輸
 
(1) 起始信號後，總線上全部的從機開始等待主機緊接下來的從機地址廣播。由於總線上每一個設備的地址都是惟一的，當主機廣播的地址與某個設備地址相同時，該設備就被選中，並向主機發出應答(ACK)或者非應答(NACK)，主機只有在接收到應答信號後繼續發送/接收數據，沒選中的設備將會忽略以後的數據信號。根據I2C協議，從機地址能夠是7位或者10位。

(2) I2C總線上傳輸的數據包括上述的地址信號，又包括真正的數據信號。在起始信號後需傳送一個從機地址(7位)，第8位是數據的傳輸方向(接收/發送)，「0」表示主機發送數據，「1」表示主機接收數據。每次數據的傳輸老是由主機產生結束信號以結束傳輸，但若主機但願繼續佔用總線進行新的數據傳輸時，則能夠不產生結束信號，而是再次發送起始信號對另外一從機地址尋址。

(3) 若配置爲寫數據方向，主機開始向從機傳輸數據，數據包大小爲8位，主機每發送完1字節數據都有等到從機的應答信號(ACK)，多字節數據發送時重複此過程。傳輸結束後，主機向從機發送一箇中止信號表再也不傳輸數據。

(4) 若配置爲讀方向，從機開始向主機返回數據，數據包大小仍是8位。同理，從機每發送完一字節數據都要等到主機的應答信號(ACK)，重複此過程能夠返回多個數據。當主機但願中止接收數據時就向返回一個非應答信號(NACK)，數據傳輸將結束。

(5) 實際I2C通信採用的是讀寫複合的格式。傳輸過程當中主機須要發出2次起始信號：第一次傳輸主機經過從機地址找到從機設備，發送一段數據，這個數據是從設備內部寄存器或者存儲器地址；第二次傳輸是對該地址進行讀/寫。主機要讀取從機數據時，主機會釋放對SDA總線的控制，由從機控制SDA總線，主機負責接收信號；主機要向從機設備寫數據時，SDA由主機控制，從機負責接收信號。