I2C总线详解

一、特点

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。其主要特点可以概括如下：

(1)在硬件上，12C总线只需要一根数据线SDA和一根时钟线SCL两根线，SDA传输数据，每次传输8bit，即一字节，且先传输高bit，再传输低bit。SCL是时钟线，用于时钟同步。

(2)I2C总线是一个真正的多主机总线。如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但任何时间点只能有一个主机。总线上每个设备都有自己的一个地址，通过地址方式寻址各个器件，共7个bit，理论上总线可挂载127个器件(全0为广播地址)，但一个系统中可能有多个同种芯片，因此地址又分为固定部分和可编程部份，具体视芯片而定。

(3)连接到总线上的芯片数量除受7bit地址限制外，还受总线最大电容的限制。

(4)串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。

二、工作原理

SDA和SCL都是双向I/O线，接口电路为开漏输出，使用时必须通过上拉电阻接到电源VCC.当总线空闲时，两根线都是高电平，连接总线的所有器件输出级都是开漏电路，从而在总线上消耗的电流很小。因此，总线上扩展的器件数量主要由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容.而线路中电容会影响总线传输速度。当电容过大时，有可能造成传输错误。由于其负载能力为400pF，因此可以估算出总线允许长度和所接器件数量。

总线上的器件由一个主器件和其他从器件组成。主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件.在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主器件要发送数据给从器件，则主器件首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主器件终止数据传送;如果主器件要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件.然后主器件接收从器件发送的数据，最后由主器件终止接收过程。在这种情况下，主器件负责产生定时时钟和终止数据传送。

三、传输协议

位传输

数据位传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据;若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束。数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的数据位，具体如下图所示。

开始和结束信号

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。其具体如下图所示。

应答信号

主设备每发送完8bit数据后等待从设备的ACK，即在第9个clk，读取到SDA低电平为有效;主设备把clk拉低，并将sda换成输入模式(上拉电阻，默认高电平)读取第9位，clk再次拉高，读取从设备发来的ACK。这里又分两种情况：

1.写操作：主设备把clk拉高，等待读取ACK，从设备发现clk拉高后，就把sda拉低，告诉主设备，成功接收到8位数据。

2.读操作：主设备发送芯片地址和寄存器地址，这两个字节的ACK都是由从设备来拉低,同写操作; 从设备开始向从设备发送数据，clk为低时，sda变化，主设备clk拉高时读取sda, ACK由主设备拉低; 当从设备发送完最后一个字节后，主设备强制把ACK拉高，通知从设备不要需要再发了， 从设备发现这个ACK没有被拉低，认为主设备接收错误，也就结束发送了，当然从设备自己也知道这是最后一个字节。

? 标准写流程

a) 主器件产生开始信号

b) 主器件发送从器件地址(7bit)和读写操作位0(1bit)，改SDA为输入，等待ACK

c) 从器件发送ACK

d) 主器件发送从器件寄存器地址(8bit)，改SDA为输入，等待ACK

e) 从器件发送ACK

f) 主器件发送数据字节(8bit)，即要写入寄存器中的数据，改SDA为输入，等待ACK

g) 从器件发送ACK

h) 上述第f步至第g步可以重复多次，即可以按顺序写多个寄存器

i) 主器件产生停止信号，结束数据传输。

? 标准读流程

a) 主器件产生开始信号

b) 主器件发送从器件地址(7bit)和读写操作位0(1bit)，改SDA为输入，等待ACK

c) 从器件发送ACK

d) 主器件发送从器件寄存器地址(8bit)，改SDA为输入，等待ACK

e) 从器件发送ACK

f) 主器件产生开始信号

g) 主器件发送从器件地址(7bit)和读写操作位1(1bit)，改SDA为输入，等待ACK

h) 从器件发送ACK

i) 从器件发生数据字节(8bit)，即寄存器中的值

j) 主器件发送ACK

k) 上述第i步至第j步可以重复多次，即可以按顺序读多个寄存器

l) 主器件产生停止信号，结束数据传输。