I2C总线协议

I2C总线简介

I2C总线是飞利浦（PHLIPS）公司推出的一种串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。

• I2C串行总线有两根双向信号线。一根串行数据线SDA，一根串行时钟线SCL。
• 每个连接到总线上的器件通过唯一的地址联系主机，同时主机可以作为主机发送器或主机接收器。
• 它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，则数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。
• 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可以达到100Kb/s，快速模式下可以达到400Kb/s，高速模式下可以达到3.4Mb/s
• 连接到相同总线的IC数量只受到总线最大电容400PF的限。I2C协议规定，在启动总线后第1字节的高7位是从节点的寻址地址，其中高四位为器件类型识别符，接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作，所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定，7位寻址地址减去1个广播地址0x00不用，所以有2^7=128 - 1 = 127，那就是127个地址， 所以理论上可以挂127个从器件。

从设备的地址由固定部分和用户自定义部分组成。

• 固定部分：D7-D4 共4位决定的。这是由从设备的生产厂商生产时就已确定的值。确定器件类型
• 用户自定义部分：D3-D1 3位通常对应设备的3个引脚(A0~A2)。把3个引脚接到不同的电平上，就可以形成一个3位的数值。相同类型器件的区分

I2C如何同时挂载多个同一种器件（地址相同的器件）
理论上是不会这样设计的，如果一定要这样做的话，可以通过硬件上设计，控制器件是否挂载总线来实现（可用一个开关电路切断器件SDA或者SCL是否接入总线来实现）

IIC总线信号类型
IIC总线在传送数据过程中共有3种类型信号：开始信号、结束信号和响应信号

• 开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示起始信号，开始传送数据
• 结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示结束信号，结束传送数据
• 响应信号（ACK）：接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA电平。即接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传 递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

I2C总线的主机与从机之间是如何通信的呢？
I2C总线的主机与从机之间的通信主要和I2C的时序有关。在通信开始的时候SCL与SDA都置为高电平，此时为总线空闲时间。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉低，标志这总线的启动。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉高，标志这总线的终止。在进行数据传送时，SCL为高电平期间，SDA上的数据必须保持稳定，只有在SCL的信号为低电平时，SDA上的高电平才允许变化。所以只要我们根据芯片手册正确的写好IIC的时序，按时序发送器件地址（不同的器件的地址不同）以及数据，就可以使主机与从机之间通信。
如下图AT24C02读/写操作示意图：

I2C总线的仲裁
总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。

I2C总线的其他注意点
1、进行数据传送时，在SCL为高电平期间，SDA线上电平必须保持稳定，只有SCL为低时，才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是高位在前。
2、对于应答信号，ACK=0时为有效应答位，说明从机已经成功接收到该字节，若为1则说明接受不成功。
3、如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间，可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进入等待状态。
4、主机完成一次通信后还想继续占用总线在进行一次通信，而又不释放总线，就要利用重启动信号Sr。它既作为前一次数据传输的结束，又作为后一次传输的开始。
5、总线冲突时，按“低电平优先”的仲裁原则，把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。
6、在特殊情况下，若需禁止所有发生在I2C总线上的通信，可采用封锁或关闭总线，具体操作为在总线上的任一器件将SCL锁定在低电平即可。
7、SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的。