I2C通信原理概述

通信协议篇——I2C

1.简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，总线上可以挂多个设备，可实现同步半双工通信

2.原理

通信方式

I2C通信属于串行通信，使用串行数据线SDA和串行时钟线SCL两线实现同步半双工通信。

同步通信和异步通信的区别：

１、异步通信中的接收方并不知道数据什么时候会到达，收发双方可以有各自自己的时钟。发送方发送的时间间隔可以不均，接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。这种传输通常是很小的分组，比如一个字符为一组，为这个组配备起始位和结束位。所以这种传输方式的效率是比较低的，毕竟额外加入了很多的辅助位作为负载，常用在低速的传输中。
2、同步通信中双方使用频率一致的时钟，它的分组相比异步通信则大得多，称为一个数据帧，通过独特的bit串作为启停标识。发送方要以固定的节奏去发送数据，而接收方要时刻做好接收数据的准备，识别到前导码后马上要开始接收数据了。同步这种方式中因为分组很大，很长一段数据才会有额外的辅助位负载，所以效率更高，更加适合对速度要求高的传输，当然这种通信对时序的要求也更高。

I2C通信中，主机通过时钟线SCL发送时钟信号，通过数据线SDA发送数据（包括从机地址、指令、数据包等），在发送完一帧数据后，需要等待从机的响应，才能继续发送下一帧数据，因此I2C属于同步通信。

I2C通信中，数据在一根数据线SDA上传输，同一时刻数据传输的方向只能是单向的，从A到B或者从B到A；通过切换传输方向从而实现双向通信，因此I2C属于半双工通信。

数据格式

I2C通信的数据包大小为8bit，主要有三类——指令、字节地址、数据。数据传输时，按照高位在前，低位在后的顺序（即MSB First，LSB Last）。

I2C通信通过时钟线SCL和数据线SDA确定几种通信状态——空闲状态、启动信号、停止信号、数据位传输、应答信号。

空闲状态
当I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

启动信号
在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的下降沿，定义为I2C总线的启动信号，它标志着一次数据传输的开始。启动信号是由主机建立的，在建立该信号之前，I2C总线必须处于空闲状态。

停止信号
在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的上升沿，定义为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。停止信号是由主机建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。

数据位传输
在I2C通信中，时钟线SCL上的每一个时钟，同步对应着数据线SDA上的一位数据。即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。进行数据传送时，在SCL是高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。

应答信号
I2C总线上的所有数据都是以8bit字节传输的，发送器每发送一个字节，就在第9个时钟开始时释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。
如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。

操作时序

I2C设备的操作时序有四种，分别为写单个存储字节，写多个存储字节，读单个存储字节和读多个存储字节。操作时序如下图：

具体通信过程
以写单个存储字节这一操作为例，介绍I2C通信的具体流程：

初始状态：SCL、SDA都为高电平，总线处于空闲状态；

→启动信号：在SCL为高电平时，SDA由高变低，产生下降沿，此时I2C通信开始启动；

→发送7位从机地址和1位读写指令：按位传输，按照高位在前、低位在后的顺序，且遵循SCL高电平时SDA上的数据保持不变，SCL低电平时SDA上的数据发生改变的原则，每个时钟脉冲发送一位地址数据；

→接收响应：I2C通信中，每发送完8bit数据，会接收1bit响应；此时，主机先把数据线SDA释放，然后在第9个时钟脉冲的高电平期间读取SDA上的应答信号，0代表ACK信号，1代表NACK信号；只有接收到ACK信号，才继续之后的操作，否则重新开始通信过程；

→发送8位字节地址：同上；

→接收响应：同上；

→写入8位数据：同上；

→接收响应：同上；

→停止信号：在SCL为高电平时，SDA由低变高，产生上升沿，此时I2C通信结束。

其他三种操作的具体流程是类似的。

标准接口
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