一、簡介

I2C(Inter IC Bus)是有飛利浦公司開發(fā)的一種通用數(shù)據(jù)總線，主要通過兩個通信線SCL和SDA進行通信，其中SCL(Serial Clock)是時鐘線，用于收發(fā)雙方同步數(shù)據(jù)，SDA(Serial Data)是數(shù)據(jù)線，用于傳輸數(shù)據(jù)。是一種同步半雙工的數(shù)據(jù)總線，其有數(shù)據(jù)應答功能，支持在總線上掛載多個設備。 不少的設備，比如說常用的0.42寸的OLED顯示器，MPU6050加速度傳感器，AT24C02存儲器模塊，DS3231實時時鐘模塊等，都是用I2C協(xié)議

二、硬件電路分析

I2C典型電路如下：

• 所有I2C設備的SCL連在一起，SDA連在一起
• 設備的SCL和SDA都需要設置為開漏輸出模式
• SCL和SDA各配置一個上拉電阻，阻值一般為4.7k歐姆
  

在I2C中，支持總線掛載多設備，主要有一主多從，多主多從兩個模式。在主從控制中，CPU作為總線的主機的權(quán)利很大，一般掌握著SCL和SDA的控制，而從機只有在申請發(fā)送數(shù)據(jù)或做出應答的時候，才能從主機中獲取到SDA的控制權(quán)，而SCL的控制權(quán)任何時刻都是在主機手里的。

由于主機擁有SCL的絕對控制權(quán)，主機的SC應該L配置成推挽輸出，而從機的SCL設置為浮空輸入或者上拉輸入，時鐘信號由主機發(fā)送，所有從機負責接收并且對齊時鐘信號。 對于SDA，主機和從機都可能會在輸入和輸出之間切換，而如果時鐘同步?jīng)]做好，可能會出現(xiàn)兩個設備同時對SDA進行操作的情況，如果其中一個輸出高電平，另外一個輸出低電平，則會導致線路短路，另外，協(xié)調(diào)電路中各個設備，使得只有一個設備在發(fā)送信息，是一件很麻煩的事情。為了避免這種情況，I2C禁止所有設備輸出強上拉的高電平，采用外置的弱上拉電阻加開漏輸出的電路結(jié)構(gòu)，這也是上述典型電路中的1、2點。

對于開漏輸出，實際上的引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是只有下拉接負極的開關(guān)管，而沒有接正極的上拉開關(guān)管，因此引腳只能輸出0電平或者浮空，而由于外置了上拉電阻，則在浮空的時候，SDA會被外置電阻弱上拉為高電平，從而避免了同時有強下拉和強上拉的情況。這樣子就杜絕了電源短路的情況。

并且這個設計開漏加弱上拉的模式，同時兼具了輸入和輸出的功能：如果需要輸出，則直接使用開漏輸出進行操作，而想要輸入的時候，則不做操作，直接觀察電平高低。另外，這個設計還有一個“線與”的性質(zhì)，也就是只要有任意電路輸出低電平，SDA總線就會處于低電平，這可以讓CPU執(zhí)行多主機模式下的時鐘同步和總線仲裁，這是多主多從模式的基礎。同時，如果發(fā)送SDA總線處于低電平狀態(tài)，則表明有人正在占用SDA

總之，這個設計有三個優(yōu)點：

1. 避免線路短路
2. 兼顧輸入和輸出
3. 可實現(xiàn)多主多從

三、I2C時序基本單元

3.1 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)

I2C規(guī)定，I2C的起始條件和終止條件如下：

起始和終止都是由主機控制，空閑的時候所有從設備都需要保持端口浮空。

發(fā)送一個字節(jié)：
SCL低電平期間，主機將數(shù)據(jù)一次放在SDA總線上，然后釋放SCL，從機將在SCL高電平期間讀取數(shù)據(jù)位，所以SCL高電平期間SDA不允許有數(shù)據(jù)變化，依次重復八次，則發(fā)送一個字節(jié)。比如說首先主機拉低SCL，然后將SDA也拉低，表示發(fā)送一個0，然后保持SDA低電平，釋放SCL，此時各個從設備負責讀取SDA電平狀態(tài)0，以此往復。如果主機進中斷了，停止操作SCL和SDA，那么SCL和SDA則會保持當前狀態(tài)，傳輸暫停，不會導致傳輸丟失的情況，這是同步時序的好處。

接收一個字節(jié)：
SCL低電平期間，從機將數(shù)據(jù)一次放在SDA線上，然后主機釋放SCL，主機會在SCL高電平期間讀取數(shù)據(jù)。所以SCL高電平期間SDA不允許有數(shù)據(jù)變化，依次重復八次，則主機接收一個字節(jié)

主機接收和發(fā)送的區(qū)別是，主機接受之前需要釋放SDA，而發(fā)送之前需要拉低SDA

3.2 發(fā)送和接收應答

發(fā)送應答：主機接受完一個字節(jié)之后，在下一個時鐘發(fā)送一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)0表示應答，1表示非應答
接收應答：主機在發(fā)送完一個字節(jié)之后，在下一個時鐘接收一位數(shù)據(jù)，判斷從機是否應答，數(shù)據(jù)0表示應答，數(shù)據(jù)1表示非應答。主機在接受前需要釋放SDA

3.3 數(shù)據(jù)幀分析

有了上面六個切片，我們就可以將它們組成一個完整的數(shù)據(jù)幀了。

指定地址寫
主機首先需要發(fā)送一個字節(jié)確定發(fā)送的對象，該字節(jié)是從機的地址。從機地址分為7位地址和10位地址，其中7位地址是廠商按芯片型號賦值的，而后三位則是可變地址，使得在掛載多個相同型號的芯片的時候可以做出區(qū)分。這個就是指定從機步驟。而一個字節(jié)有8個位，其中7位用于標識從機，另外一位是讀寫位，用于表示主機要進行讀操作還是寫操作。

主機發(fā)送指定從機字節(jié)后，目標從機會立馬對主機進行應答，也就是主機發(fā)送完指定從機字節(jié)之后，主機會釋放SDA，此時目標從機立馬下拉SDA，表示應答，而主機在下一個SCL高電平的時候讀SDA，發(fā)現(xiàn)自己釋放SDA后，SDA仍是低電平，根據(jù)線與設計，證明電路中有設備對SDA進行了下拉操作，也就是有設備做出了應答。

一般來說，指定地址寫在從機應答后，主機寫的第一個字節(jié)是指定寫入從機的哪一個寄存器，接著再下一個字節(jié)是寫入的值

指定地址讀
接下來，則根據(jù)讀寫位，進行主機的讀寫操作。如果主機發(fā)送主機讀命令，那么在指定從機之后，會立馬進入主機讀狀態(tài)，但是此時還不知道主機需要讀的是從機哪一個寄存器中的值，這怎么辦呢？在支持I2C的設備中，寄存器地址一般都是線性緊挨排布的。而其中會有一個地址指針(假設位于0x19)，用于指向寄存器，每次讀一次，指針就會自增一次。因此比如要讀取0xAA的寄存器，那么首先對指定從機發(fā)送一個寫請求，將0x19的內(nèi)存單元寫為0xA9，然后終止。再發(fā)起一次主機讀，然后指定從機接收到請求后，0x19自增1，變成0xAA，然后讀出0xAA寄存器中的值。這個操作被稱為**“指定地址讀”**