I2C协议

1、I2C总线通信协议介绍

1.1 I2C总线介绍

I2C（IIC，集成电路总线)是一种简单的双向同步（有一根时钟线SCL或CLK）串行总线，利用一根时钟线（SCL）和一根数据线（SDA）构成通信线路，利用上拉电阻将其拉成高电平，表示总线空闲。

I2C总线是一种主从结构（Master/Slave)总线，一个总线上可以有多个从设备，同一时刻只允许有一个主设备。主设备通常为CPU，用来产生时钟信号，从设备只能响应主设备发起的请求。

 

1.2 I2C从设备地址

每个从设备都有一个唯一的7位物理地址，通常固化在芯片内部，可以在芯片的datesheet上找到。 I2C总线7位寻址10位寻址两种模式，通常使用7bit模式。因此，理论上I2C总线寻址模式的最大节点数为128或1024个。但I2C有16个保留从机地址。

 

2、I2C通信时序

SDA和SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。总线要发送数据时，数据在SDA上从高位项低位依次串行传送每一位数据，每传输一个数据位，主机就在SCL线上产生一个时钟脉冲。

 

2.1 起始/停止位

起始位：当SCL保持高电平时，SDA出现一个下降沿，产生一个起始位

停止位：当SCL保持高电平时，SDA出现一个上升沿，产生一个停止位

 

2.2 数据位收发

对于I2C总线来说，发送的8位从机地址也是一个字节的数据：

1、芯片7位地址

2、读写方向位（R/W）：0（W，写），表示主机发送数据给从机。1（R，读），表示从机发送数据给主机。

 

选中的从机回复ACK报文给主机。

 

 

2.3 I2C应答信号

I2C通信发送完一个字节的数据后，接收方应该在第9个位给发送方回复一个ACK/NAK信号，用来告知对方是继续通信还是结束通信。

继续：给出应答信号（ACK），SDA位低电平

结束：给出非应答信号（NAK），SDA位高电平

 

接收方发送ACK之前，发送方必须释放SDA线，大部分情况下，正常通信会回复ACK信号，但一下条件会导致NAK信号：

• 主机从从设备读完数据，回复NAK通知从设备数据通信完成

• 传输期间，接收方不能收到任何数据字节或收到它不能解析的命令或数据

• 通信方尚未准备好与主站通信，如正忙看执行其他实时命令

 

2.4 主机发送数据流程

1. 主机在检测到总线为空闲时，发送一个启动信号“S”，开始一次通信的开始；

2. 主机接着发送一个从设备地址，它由7bit物理地址和 1bit 读写控制位 R/W组成(此时 R/W=0)；

3. 相对应的从机收到命令字节后向主机回馈应答信号 ACK(ACK=0)；

4. 主机收到从机的应答信号后开始发送第一个字节的数据；

5. 从机收到数据后返回一个应答信号ACK；

6. 主机收到应答信号后再发送下一个数据字节；

7. 主机发完最后一个字节并收到 ACK后，向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线；

8. 从机收到P信号后也退出与主机之间的通信。

   

 

2.5 主机接收数据流程

1. 主机发送启动信号后，接着发送地址字节(其中 R/W=1)；

2. 对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据：

3. 主机收到数据后向从机反馈一个应答信号ACK；

4. 从机收到应答信号后再向主机发送下一个数据；

5. 当主机完成接收数据后，向从机发送一个 NAK，从机收到非应答信号后便停止发送；

6. 主机发送非应答信号后，再发送一个停止信号，释放总线结束通信。

   

 

2.6 时钟延展

I2C是一种同步通信模式，主设备通过SCL线给从设备提供精确的时钟信号和从设备通信，当从设备的通信速率跟不上主设备时就可以使用时钟延展（Clock Stretching)。

Clock Stretching只是I2C通信的一个可选项，通常在I2C接口的传感器中比较常见，如温湿度传感器SHT20/30。

在I2C的主从通信过程中，总线上的SCL时钟总是有主设备来产生和控制，如果从机跟不上主机的速率，主机可以在数据传输的第9个位时钟（ACK）时主动将SCL时钟拉低，通知主设备暂停此时的传输。当从设备准备好后再将SCL释放通知主设备数据已经就位，可以继续通信。