通訊協議篇——I2C

1.簡介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種序列通訊匯流排，總線上可以掛多個裝置，可實現同步半雙工通訊

2.原理

通訊方式

I2C通訊屬於序列通訊，使用序列資料線SDA和序列時鐘線SCL兩線實現同步半雙工通訊。

同步通訊和非同步通訊的區別：

１、非同步通訊中的接收方並不知道資料什麼時候會到達，收發雙方可以有各自自己的時鐘。傳送方傳送的時間間隔可以不均，接收方是在資料的起始位和停止位的幫助下實現資訊同步的。這種傳輸通常是很小的分組，比如一個字元為一組，為這個組配備起始位和結束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的，畢竟額外加入了很多的輔助位作為負載，常用在低速的傳輸中。
2、同步通訊中雙方使用頻率一致的時鐘 ，它的分組相比非同步通訊則大得多，稱為一個數據幀，通過獨特的bit串作為啟停標識。傳送方要以固定的節奏去傳送資料，而接收方要時刻做好接收資料的準備，識別到前導碼後馬上要開始接收資料了。同步這種方式中因為分組很大，很長一段資料才會有額外的輔助位負載，所以效率更高，更加適合對速度要求高的傳輸，當然這種通訊對時序的要求也更高。

I2C通訊中，主機通過時鐘線SCL傳送時鐘訊號，通過資料線SDA傳送資料（包括從機地址、指令、資料包等），在傳送完一幀資料後，需要等待從機的響應，才能繼續傳送下一幀資料，因此I2C屬於同步通訊。

I2C通訊中，資料在一根資料線SDA上傳輸，同一時刻資料傳輸的方向只能是單向的，從A到B或者從B到A；通過切換傳輸方向從而實現雙向通訊，因此I2C屬於半雙工通訊。

資料格式

I2C通訊的資料包大小為8bit，主要有三類——指令、位元組地址、資料。資料傳輸時，按照高位在前，低位在後的順序（即MSB First，LSB Last）。

I2C通訊通過時鐘線SCL和資料線SDA確定幾種通訊狀態——空閒狀態、啟動訊號、停止訊號、資料位傳輸、應答訊號。

空閒狀態
當I2C匯流排的SDA和SCL兩條訊號線同時處於高電平時，規定為匯流排的空閒狀態。此時各個器件的輸出級場效電晶體均處在截止狀態，即釋放匯流排，由兩條訊號線各自的上拉電阻把電平拉高。

啟動訊號
在時鐘線SCL保持高電平期間，資料線SDA上的下降沿，定義為I2C匯流排的啟動訊號，它標誌著一次資料傳輸的開始。啟動訊號是由主機建立的，在建立該訊號之前，I2C匯流排必須處於空閒狀態。

停止訊號
在時鐘線SCL保持高電平期間，資料線SDA上的上升沿，定義為I2C匯流排的停止訊號，它標誌著一次資料傳輸的終止。停止訊號是由主機建立的，建立該訊號之後，I2C匯流排將返回空閒狀態。

資料位傳輸
在I2C通訊中，時鐘線SCL上的每一個時鐘，同步對應著資料線SDA上的一位資料。即在SCL序列時鐘的配合下，在SDA上逐位地序列傳送每一位資料。進行資料傳送時，在SCL是高電平期間，SDA上的電平必須保持穩定，低電平為資料0，高電平為資料1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態。

應答訊號
I2C總線上的所有資料都是以8bit位元組傳輸的，傳送器每傳送一個位元組，就在第9個時鐘開始時釋放資料線，由接收器反饋一個應答訊號。應答訊號為低電平時，規定為有效應答位（ACK），表示接收器已經成功地接收了該位元組；應答訊號為高電平時，規定為非應答位（NACK），一般表示接收器接收該位元組沒有成功。對於反饋有效應答位ACK的要求是，接收器在第9個時鐘脈衝之前的低電平期間將SDA線拉低，並且確保在該時鐘的高電平期間為穩定的低電平。
如果接收器是主控器，則在它收到最後一個位元組後，傳送一個NACK訊號，以通知被控傳送器結束資料傳送，並釋放SDA線，以便主控接收器傳送一個停止訊號。

操作時序

I2C裝置的操作時序有四種，分別為寫單個儲存位元組，寫多個儲存位元組，讀單個儲存位元組和讀多個儲存位元組。操作時序如下圖：

具體通訊過程
以寫單個儲存位元組這一操作為例，介紹I2C通訊的具體流程：

​ 初始狀態：SCL、SDA都為高電平，匯流排處於空閒狀態；

→啟動訊號：在SCL為高電平時，SDA由高變低，產生下降沿，此時I2C通訊開始啟動；

→傳送7位從機地址和1位讀寫指令：按位傳輸，按照高位在前、低位在後的順序，且遵循SCL高電平時SDA上的資料保持不變，SCL低電平時SDA上的資料發生改變的原則，每個時鐘脈衝傳送一位地址資料；

→接收響應：I2C通訊中，每傳送完8bit資料，會接收1bit響應；此時，主機先把資料線SDA釋放，然後在第9個時鐘脈衝的高電平期間讀取SDA上的應答訊號，0代表ACK訊號，1代表NACK訊號；只有接收到ACK訊號，才繼續之後的操作，否則重新開始通訊過程；

→傳送8位位元組地址：同上；

→接收響應：同上；

→寫入8位資料：同上；

→接收響應：同上；

→停止訊號：在SCL為高電平時，SDA由低變高，產生上升沿，此時I2C通訊結束。

其他三種操作的具體流程是類似的。

標準介面
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