【Linux嵌入式】示波器分析I2C時序波形圖
對於嵌入式開發的朋友來說，I2C協議實在是再熟悉不過了，有太多的器件，採用的都是通過I2C來進行相應的設定。今天，我們就隨便聊聊這個I2C協議。
I2C協議中最重要的一點是I2C地址。這個地址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個地址，而在實際使用中基本上不會掛載如此多的設定，所以很多裝置的地址都採用7位，所以本文接下來的說明都是基於此。
I2C還有一個很重要的概念，就是“主—從”。對於從裝置來說，它是啥都不幹的，更不會自動傳送資料；而主裝置，則是起到控制作用，一切都是從它開始。
除了GND以外，I2C有兩根線，分別是SDA和SCL，所有的裝置都是接到這兩根線上。那麼，這些裝置如何知道資料是傳送給它們呢？這就得依靠前面所說到的地址了。裝置I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因為只能有127個地址，地址衝突是很常見的，所以一般裝置都會有一個地址選擇PIN，比如拉高時候為0x50，接地為0x60。如果無論拉高還是接地，都和別的晶片有衝突，那該怎麼辦呢？答案是：涼拌，沒辦法。遇到這種情況，只能換晶片了。
我們來看I2C協議中的資料傳輸時序圖：
SCL是時鐘，SDA承載的是資料。當SDA從1變動到0，而SCL還是1時，表示開始資料傳輸。接下來的7位，就是裝置的地址。緊接著的是讀寫標誌，其為1時是讀取，為0則是寫。如果I2C總線上存在著和請求的地址相對應的裝置，則從裝置會發送一個ACK訊號通知主裝置，可以傳送資料了。接到ACK訊號後，主裝置則傳送一個8位的資料。當傳輸完畢之後，SCL保持為1，SDA從0變換到1時，標明傳輸結束。
從這個時序圖中可以看到，SCL很重要，並且哪個時鐘沿是幹嘛的，都是確定好的。比如，前面7個必定是地址，第8個是讀寫標誌，資料傳輸必須是8位，必須接個ACK訊號等等。
前面的時序圖並沒有標明資料傳輸的方向，我們現在看看寫操作的資料流向：
網格的是主裝置傳送的，白色格子是從裝置傳送的。從圖示中可以看到，對於寫操作，從裝置都只是傳送ACK進行確認而已。
而讀操作的資料流向，就有所不同，如圖：
這時候，從裝置除了傳送ACK以外，緊跟著的還有資料。
我們用示波器來檢視波形圖，以便於理解。
I2C的概念原理網上都有就不說了，這裡只把我把兩個開發板通過I2C通訊的除錯經驗記錄分享一下。
I2C要求要有一個主裝置，負責發起請求和控制時鐘；其它為從裝置，通過裝置ID地址來識別並響應主裝置請求。主從裝置要輪流控制SDA。一開始我沒搞明白這一點，直接加了寫I2C資料程式碼，然後用示波器在SDA和SCL腳測量，卻只能找到些凌亂的波形，沒有預期的效果。後來把從裝置接上，兩邊寫好程式碼，互相有了響應，這才在示波器上看到波形。
這裡我找了一個主裝置往從裝置寫資料的例子，程式碼如下：
char buf[128];
int len;
strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");
len=strlen(buf);
//deviceid: 0x3c
write_i2c(0x3c, buf , len);
接收端的程式碼比較簡單，就不貼了。
將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形並分析如圖：
從圖中可知時序如下：
- 由主機發起，在SCL為高電平時，SDA由高到低切變，形成開始訊號；
- 接著是7位地址和一位讀寫標誌，這裡7位地址為0111100，即0x3c，正是我們程式碼中設定的地址ID；最後一位為0表示寫操作；
- 接著在下一個時鐘，主機以高電平狀態釋放SDA，這時從機響應，將SDA拉低了；
- 接著是兩個8位資料00101110與響應，即0x2E，正是“.”號的ASCII碼，符合預期輸出；
- 還有其它資料和最後的停止位，圖中被截掉了。
從圖中可知，縱向一格是200mV，則SDA和SCL的電平大概就是350mV；由於訊號筆上設定了訊號x10，因此實際電平應該大概是3.5V（理論上應該是3.3V）。橫向一格是25us，10個時鐘週期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每個時鐘週期是10us，可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s，即100k bps。
另外，對於讀從裝置內容，基本流程是主裝置先往從裝置寫一個命令，然後再輸出讀取命令，然後才由從裝置傳送資料。過程類似，不再具體分析了。
下圖示例中，主機先向從機寫了一個地址命令，然後重新開始並進入讀取週期。
分析波形可檢測出I2C通訊工作是否正常，是否符合預期，對我們程式設計除錯診斷有輔助作用。