I2C协议

I2C物理层：物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。

I2C 通讯设备之间的常用连接方式：

总线：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)。

SDA：串行数据线，数据线用于表示数据。

SCL：串行时钟线，时钟线用于数据收发同步。

不同设备之间的访问：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。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 I 2C 设备尚不支持高速模式。

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I2C协议层：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。

下面三个图表示的是主机和从机通讯时，SDA 线的数据包序列。

总的来说：

主机发出传输起始信号：S 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。

从机等待主机广播：起始信号产生后，所有从机开始等待主机广播出来从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。

根据主机广播出来的从机地址信号选中从机设备：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。

主机发出传输方向选择位信息：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。

从机和主机进行数据的交互：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。

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下面的这个图，是主机写数据到从机，SLAVE ADDRESS是从机地址。

写数据：主机广播完地址并接收到应答信号后，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。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号§，表示不再传输数据。

下面这个图，是主机由从机中读数据。

读数据：主机广播完地址并接收到应答信号后，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。

下面这个图，是I2C通信复合格式。R/W是传输方向选择位，1为读，2为写。

读和写数据：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机内部的寄存器或存储器地址；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。

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通讯的起始和停止信号：

当 SCL 线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换，表示通讯的起始。

当 SCL 线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。

起始和停止信号一般由主机产生。

数据有效性：

SDA 数据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

传输时，SCL 为高电平时，SDA 表示的数据有效，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。

地址及数据方向：

读数据方向时，主机释放对 SDA 信号线的控制，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。

如下图所示，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，紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，为“0”时表示主机向从机写数据。

响应：响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

传输时主机产生时钟，在第 9 个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制 SDA，若 SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

数据接收端设备(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。