I2C通信特征
1.1、物理接口：SCL + SDA
(1)SCL(serial clock)：時鐘線，傳輸CLK信號，一般是I2C主設(shè)備向從設(shè)備提供時鐘的通道。
(2)SDA(serial data): 數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)都通過SDA線傳輸
1.2、通信特征：串行、同步、非差分、低速率
串行：只有一根數(shù)據(jù)線，每次傳輸一個bit位;
同步：主設(shè)備和從設(shè)備的工作時鐘頻率是一樣的，主設(shè)備通過SCL時鐘線給從設(shè)備提供時鐘頻率;
非差分：因為I2C通信速率不高，而且通信雙方距離很近，一般是板級通信，所以使用電平信號通信;
低速率：I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通信，而且用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以本身通信速率很低。一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體在編程的時候要看自己所使用的設(shè)備允許的I2C通信最高速率，不能超過這個速率;
1.3、通信模式：主設(shè)備+從設(shè)備
(1)I2C通信時，通信設(shè)備之間的地位是平等的，分為主設(shè)備和從設(shè)備，其中主設(shè)備一個、從設(shè)備多個。主設(shè)備要主導(dǎo)整個通信過程，從設(shè)備根據(jù)I2C協(xié)議被動的響應(yīng)主設(shè)備;
(2)在I2C通信中，沒有規(guī)定誰做主設(shè)備、誰做從設(shè)備，是通信雙方自己協(xié)商的。一個設(shè)備在同一時間只能做主設(shè)備或者從設(shè)備，但是有的設(shè)備可以通過軟件配置來決定在此次通信時做主設(shè)備還是從設(shè)備。
I2C總線是Philips公司在八十年代初推出的一種串行、半雙工的總線，主要用于近距離、低速的芯片之間的通信;I2C總線有兩根雙向的信號線，一根數(shù)據(jù)線SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)，一根時鐘線SCL用于通信雙方時鐘的同步;I2C總線硬件結(jié)構(gòu)簡單，簡化了PCB布線，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性，因此在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
I2C總線是一種多主機總線，連接在 I2C總線上的器件分為主機和從機。主機有權(quán)發(fā)起和結(jié)束一次通信，從機只能被動呼叫;當(dāng)總線上有多個主機同時啟用總線時，I2C也具備沖突檢測和仲裁的功能來防止錯誤產(chǎn)生;每個連接到I2C總線上的器件都有一個唯一的地址(7bit)，且每個器件都可以作為主機也可以作為從機(但同一時刻只能有一個主機)，總線上的器件增加和刪除不影響其他器件正常工作;I2C總線在通信時總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的器件為發(fā)送器，接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。
I2C總線可以通過外部連線進行在線檢測，便于系統(tǒng)故障診斷和調(diào)試，故障可以立即被尋址，軟件也有利于標準化和模塊化，縮短開發(fā)時間。
I2C總線上可掛接的設(shè)備數(shù)量受總線的最大電容400pF限制。
串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標準模式下可達100Kbit/s，快速模式下可達400Kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。
總線具有極低的電流消耗，抗噪聲干擾能力強，增加總線驅(qū)動器可以使總線電容擴大10倍，傳輸距離達到15m;兼容不同電壓等級的器件，工作溫度范圍寬。
2、通信過程
主機發(fā)送起始信號啟用總線
主機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)指明從機地址和后續(xù)字節(jié)的傳送方向
被尋址的從機發(fā)送應(yīng)答信號回應(yīng)主機
發(fā)送器發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)
接收器發(fā)送應(yīng)答信號回應(yīng)發(fā)送器
…….. (循環(huán)步驟4、5)
通信完成后主機發(fā)送停止信號釋放總線
第4步和第5步用的是發(fā)送器和接收器，不是主機和從機，這是由第一個字節(jié)的最后一位決定主給從發(fā)，還是從給主發(fā)。
也就是說，第一個字節(jié)和最后的停止信號一定是主機發(fā)給從機，但中間就不一定了。
發(fā)送數(shù)據(jù)過程中不允許改變發(fā)送方向(除非重啟一次通信，詳見后文典型I2C時序(3)部分)。
3、尋址方式
I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)是廣義的，既包括地址，又包括真正的數(shù)據(jù)。
主機在發(fā)送起始信號后必須先發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的高7位為從機地址，最低位表示后續(xù)字節(jié)的傳送方向，‘0’表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)給->從機，‘1’表示從機發(fā)送數(shù)據(jù)給->主機。
總線上所有的從機接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)后都將這7位地址與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己被主機尋址，然后再根據(jù)第8位將自己定為發(fā)送器或接收器。
4、起始信號和停止信號
SCL為高電平時，SDA由高變低表示起始信號;
SCL為高電平時，SDA由低變高表示停止信號;
起始信號和停止信號都是由主機發(fā)出，起始信號產(chǎn)生后總線處于占用狀態(tài)，停止信號產(chǎn)生后總線被釋放，處于空閑狀態(tài)。
空閑時，SCL與SDA都是高電平。
I2C(IIC)屬于兩線式串行總線，由飛利浦公司開發(fā)用于微控制器(MCU)和外圍設(shè)備(從設(shè)備)進行通信的一種總線，屬于一主多從(一個主設(shè)備(Master)，多個從設(shè)備(Slave))的總線結(jié)構(gòu)，總線上的每個設(shè)備都有一個特定的設(shè)備地址，以區(qū)分同一I2C總線上的其他設(shè)備。
物理I2C接口有兩根雙向線，串行時鐘線(SCL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)組成，可用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但是通信都是由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備被動響應(yīng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
I2C主設(shè)備與從設(shè)備的一般通信過程
一. 主設(shè)備給從設(shè)備發(fā)送/寫入數(shù)據(jù)：
1.主設(shè)備發(fā)送起始(START)信號
2. 主設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址到從設(shè)備
3. 等待從設(shè)備響應(yīng)(ACK)
4. 主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備，一般發(fā)送的每個字節(jié)數(shù)據(jù)后會跟著等待接收來自從設(shè)備的響應(yīng)(ACK)
5.數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，主設(shè)備發(fā)送停止(STOP)信號終止傳輸
二. 主設(shè)備從從設(shè)備接收/讀取數(shù)據(jù)
1.設(shè)備發(fā)送起始(START)信號
2. 主設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址到從設(shè)備
3. 等待從設(shè)備響應(yīng)(ACK)
4.主設(shè)備接收來自從設(shè)備的數(shù)據(jù)，一般接收的每個字節(jié)數(shù)據(jù)后會跟著向從設(shè)備發(fā)送一個響應(yīng)(ACK)
5.一般接收到最后一個數(shù)據(jù)后會發(fā)送一個無效響應(yīng)(NACK)，然后主設(shè)備發(fā)送停止(STOP)信號終止傳輸
注：具體通信過程需視具體時序圖而定
I2C通信的實現(xiàn)
一.使用I2C
控制器
實現(xiàn)
就是使用芯片上的I2C外設(shè)，也就是硬件I2C，它有相應(yīng)的I2C驅(qū)動電路，有專用的IIC引腳，效率更高，寫代碼會相對簡單，只要調(diào)用I2C的控制函數(shù)即可，不需要用代碼去控制SCL、SDA的各種高低電平變化來實現(xiàn)I2C協(xié)議，只需要將I2C協(xié)議中的可變部分(如：從設(shè)備地址、傳輸數(shù)據(jù)等等)通過函數(shù)傳參給控制器，控制器自動按照I2C協(xié)議實現(xiàn)傳輸，但是如果出現(xiàn)問題，就只能通過示波器看波形找問題。
二.使用GPIO通過軟件
模擬
實現(xiàn)
軟件模擬I2C比較重要，因為軟件模擬的整個流程比較清晰，哪里出來bug，很快能找到問題，模擬一遍會對I2C通信協(xié)議更加熟悉。
如果芯片上沒有IIC控制器，或者控制接口不夠用了，通過使用任意IO口去模擬實現(xiàn)IIC通信協(xié)議，手動寫代碼去控制IO口的電平變化，模擬IIC協(xié)議的時序，實現(xiàn)IIC的信號和數(shù)據(jù)傳輸，下面會講到根據(jù)通信協(xié)議如何用軟件去模擬。
I2C通信協(xié)議
IIC總線協(xié)議無非就是幾樣?xùn)|西：起始信號、停止信號、應(yīng)答信號、以及數(shù)據(jù)有效性。
一. 空閑狀態(tài)
時鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)接上拉電阻，默認高電平，表示總線是空閑狀態(tài)。
二. 從設(shè)備地址
從設(shè)備地址用來區(qū)分總線上不同的從設(shè)備，一般發(fā)送從設(shè)備地址的時候會在最低位加上讀/寫信號，比如設(shè)備地址為0x50，0表示讀，1表示寫，則讀數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x50，寫數(shù)據(jù)就會發(fā)送0x51。
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