理解I2C总线
摘要
I2C是一种非常流行的2 wires总线，主要用在单个（或者多个）主机与单个或多个从机设备进行通信。其具体应用的框图如图1所示。
图1 I2C总线应用框图
本文主要的目的是帮助读者理解I2C总线工作的原理。
图1描述了一个I2C主机上连接多个从机设备的应用场景，在当今的嵌入式系统中较为常见。
1. 电气特性
I2C在电路设计中采用的是开漏/开集（open-drain/open-collector）这种驱动方式，保正了I2C在一根数据线上可以进行双向通信的能力。
1.1 开漏电路（open-drain）
所谓开漏电路概念中提到的“漏”指的是MOSFET的漏极，开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路，一般的用法是在漏极外部的电路上增加上拉电阻。用在I2C电路中，可以把总线拉低到地，也可以不驱动总线，让连接在总线上的上拉电阻将其拉到高电平。这样，在I2C应用场景中，如果主机或者从机都没有去驱动总线，在这种情况下，
利用总线上的上拉电阻Rpu，就可以把总线上的电压上拉到指定电平。同时，由于设备不会去强制在总线上输出高电平，这样也就避免了通信过程中一个设备发送高电平，而另外一个设备发送低电平，而导致冲突的情况。
图2 SDA/SCL线上的内部结构
图2为主机或者从机SDA/SCL line内部结构框图，由Buffer与FET两部分组成。设备只能把总线拉低或者释放总线，不对其进行驱动，依靠外部的上拉电阻把其拉高到高电平。在设计I2C总线设备时，一定要意识到这一点，即设备没有这种让总线保持为高电平的能力。
1.1.1 open-drain pulling low
正如上文所述，open-drain仅会把总线拉低，或者不驱动依靠外部的上拉电阻把总线进行拉高。图3展示了把总线拉低相应的电流流向。逻辑端想发送低电平信号只需要激活pull-down FET.,对地短路，把总线拉低。
图3 Pulling the bus low with an open-drain interface
1.1.2 open-drain releasing bus
当主机或者从机传送逻辑高电平时，只需要释放总线，不对其进行驱动，关闭pull-down FET.此时总线处于悬空状态，总线外部的上拉电阻会把其拉高到指定电压。图4展示了 通过上拉电阻把总线拉高，电流的流向。
图4 Releasing the bus with an open-drain interface
2 I2C接口
2.1 通用的I2C操作
I2C总线是一个标准的双向接口，通过主机控制器与其连接的从机设备进行通信。通信时每次都是由主机发起。主机通过从机设备的地址来进行区分I2C总线上的从机设备。I2C接口一般是由SCL与SDA线组成. SDA与SCL线上需要通过上拉电阻上拉到Vcc. 所需要上拉电阻的阻值的大小是由I2C总线上的电容量所决定. 并且只有当总线处于空闲状态时,才能发起数据的传输。如果I2C总线SDA与SCL线都处于高电平状态，可以认为I2C总线处于空闲状态。
一般情况下，主机是按照如下流程与从机设备进行交互。
1. 主机给从机发送数据
主机发送START condition以及要访问的从机地址；
主机给从机发送数据；
主机发送STOP condition结束本次的数据传输；
- 主机接收从机发送过来的数据
主机发送START condition以及要访问的从机地址；
主机将待访问的地址发送给从机；
主机接收从机发送过来的数据；
主机发送STOP condition结束本次的数据传输；
2.1.1 开始信号（START）与结束信号（STOP）
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型的控制信号，分别为开始信号，结束信号以及应答信号。
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，终止数据传输；
图5 START与STOP conditions