通信协议笔记（二）- I2C通信协议

通信协议学习笔记（二）- I2C通信协议

概述
I2C物理层
I2C协议层
I2C基本读写过程

概述

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

I2C物理层

物理层特点：

它是一个支持多设备的总线。"总线"指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。

I2C协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

起始和停止信号
I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。
数据有效性
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据"1"，为低电平时表示数据"0"。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
地址和数据方向
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/)，第8位或第11位。数据方向位为"1"时表示主机由从机读数据，该位为"0"时表示主机向从机写数据。读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。
应答
I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括"应答(ACK)"和"非应答(NACK)"两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送"应答(ACK)"信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送"非应答(NACK)"信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

I2C基本读写过程

S是表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号
起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是7位或10位
在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据
从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据
若配置的方向传输位为"写数据"方向，如下图，广播完地址，主机接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。当从机回复非应答信号(NACK)后，主机向从机发送一个停止传输信号P，结束本次通讯
若配置的方向传输位为"读数据"方向，如下图，广播完地址，从机接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输，主机向从机发送一个停止传输信号P，结束本次通讯
除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即下图情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段"数据"，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。