常用总线协议基础(I2C)

I2C是Inter-Integrated Circuit的简称，读作：I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。

>特点：

串行、同步、非差分、低速率

1）串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输；
2）同步通信，即双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线，将A设备的时钟传输到B设备，B设备在A设备传输的时钟下工作。同步通信的特征是：通信线中有CLK；
3）非差分，I2C通信速率不高，且通信距离近，使用电平信号通信；
4）低速率，I2C一般是同一个板子上的两个IC芯片间通信，数据量不大，速率低。速率：几百KHz，速率可能不同，不能超过IC的最高速率；

简单有效，支持多主控。

主要用于SOC和周边外设间的通信（如：EEPROM，电容触摸芯片，各种Sensor等）。

>物理接口

I2C总线只使用两条双向漏极开路的信号线（串行数据线：SDA，及串行时钟线：SCL），并利用电阻上拉。I2C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线，就实现了设备间的数据交互，极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用。I2C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD、及其他芯片的接口。I2C允许相当大的工作电压范围，典型的电压基准为：+3.3V或+5V。

SCL（Serial Clock）：串行时钟线，传输CLK信号，一般是主设备向从设备提供
SDA（Serial Data）：串行数据线，传输通信数据

I2C总线接口内部结构如下图所示：

>通信

I2C总线通讯由起始位开始通讯，由结束位停止通讯，并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出。
起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平
结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平

如下图所示：

I2C数据以字节（即8bits）为单位传输，每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。

应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平

在传输期间，如果从设备来不及处理主设备发送的数据，从设备会保持SCL线为低电平，强迫主设备等待从设备释放SCL线，直到从设备处理完后，释放SCL线，接着进行数据传输。

如下图所示：

 

 

这个图示为向地址为0x51的EEPROM进行写2个字节的数据0x50和0x0F.

一个I2C过程由“起始”开始, 接着是我们要通信的设备的地址，有一位标记此操作是“读”还是“写”；要读取或写入的“数据”，最后是个“终止”位。

还有其它的一些细节，比如在每个字节传输以后需要一个”应答“位，参看波形图。

 

 

所有的数据传输过程中，SDA线的电平变化必须在SCL为低电平时进行，SDA线的电平在SCL线为高电平时要保持稳定不变。如下图所示：

 

 

【其他】

I2C的数据传输速率位于串口和SPI之间，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。使用I2C传输数据会有一些额外消耗：每发送8bits数据，就需要额外1bit的元数据（ACK或NACK）。I2C支持双向数据交换，由于仅有一根数据线，故通信是半双工的。
硬件复杂度也位于串口和SPI之间，而软件实现可以相当简单。

 如果两个master都想在同一条空闲总线上传输，此时必须能够使用某种机制来选择将总线控制权交给哪个master，这是通过时钟同步和仲裁来完成的，而被迫让出控制权的master则需要等待总线空闲后再继续传输。在单一master的系统上无需实现时钟同步和仲裁。

 

参考博客################################################

本文非原创，只是个人了解的资料整理：

1.https://www.cnblogs.com/microxiami/p/8527464.html

2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/137568249

3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/26579936

4.https://www.stepfpga.com/doc/i2c

5.https://blog.csdn.net/jasonchen_gbd/article/details/77431951