简单的I2C协议笔记

近段时间做IIC相关的工作，顺便把IIC协议复习了下，下面的东西权当做个笔记，以备将来查阅。

I2C是一种串行数据通信协议，仅使用两根信号线：SerialClock（简称SCL）和SerialData（简称SDA）。I2C是总线结构，1个Master，1个或多个Slave，各 Slave设备以7位地址区分，地址后面再跟1位读写位，表示读（=1）或者写（=0），所以我们有时也可看到8位形式的设备地址，此时每个设备有读、写两个地址，高7位地址其实是相同的。

一. 技术性能:
工作速率有100K和400K两种；
支持多机通讯；
支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控；
由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线；
每个电路和模块都有唯一的地址；
每个器件可以使用独立电源；

二. 基本工作原理:
以启动信号START来掌管总线，以停止信号STOP来释放总线；
每次通讯以START开始，以STOP结束；
启动信号START后紧接着发送一个地址字节，其中7位为被控器件的地址码，一位为读/写控制位R/W,R/W位为0表示由主控向被控器件写数据，R/W为1表示由主控向被控器件读数据；
当被控器件检测到收到的地址与自己的地址相同时，在第9个时钟期间反馈应答信号；
每个数据字节在传送时都是高位(MSB)在前；

写通讯过程:
1. 主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个START信号掌管总线；
2. 发送一个地址字节(包括7位地址码和一位R/W)；
3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号(ACK)；
4. 主控收到ACK后开始发送第一个数据字节；
5. 被控器收到数据字节后发送一个ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束；
6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOP，结束整个通讯并且释放总线；

读通讯过程:
1. 主控在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个START信号掌管总线；
2. 发送一个地址字节(包括7位地址码和一位R/W)；
3. 当被控器件检测到主控发送的地址与自己的地址相同时发送一个应答信号(ACK)；
4. 主控收到ACK后释放数据总线，开始接收第一个数据字节；
5. 主控收到数据后发送ACK表示继续传送数据，发送NACK表示传送数据结束；
6. 主控发送完全部数据后，发送一个停止位STOP，结束整个通讯并且释放总线；

四. 总线信号时序分析
1. 总线空闲状态
SDA和SCL两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高；
2. 启动信号START
时钟信号SCL保持高电平，数据信号SDA的电平被拉低(即负跳变)。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；
3. 停止信号STOP
时钟信号SCL保持高电平，数据线被释放，使得SDA返回高电平(即正跳变)，停止信号也必须是跳变信号。
4. 数据传送
SCL线呈现高电平期间，SDA线上的电平必须保持稳定，低电平表示0(此时的线电压为地电压)，高电平表示1(此时的电压由元器件的VDD决定)。只有在SCL线为低电平期间，SDA上的电平允许变化。
5. 应答信号ACK
I2C总线的数据都是以字节(8位)的方式传送的，发送器件每发送一个字节之后，在时钟的第9个脉冲期间释放数据总线，由接收器发送一个ACK(把数据总线的电平拉低)来表示数据成功接收。
6. 无应答信号NACK
在时钟的第9个脉冲期间发送器释放数据总线，接收器不拉低数据总线表示一个NACK，NACK有两种用途:
a. 一般表示接收器未成功接收数据字节；
b. 当接收器是主控器时，它收到最后一个字节后，应发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放总线，以便主控接收器发送一个停止信号STOP。

五. 寻址约定
地址的分配方法有两种:
1. 含CPU的智能器件，地址由软件初始化时定义，但不能与其它的器件有冲突；
2. 不含CPU的非智能器件，由厂家在器件内部固化，不可改变。

高7位为地址码，其分为两部分:
1. 高4位属于固定地址不可改变，由厂家固化的统一地址；
2. 低三位为引脚设定地址，可以由外部引脚来设定(并非所有器件都可以设定)；

六.数据格式
I2C数据格式如下：
无数据：SCL=1，SDA=1；
开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；
停止位（Stop）： 当SCL=1时，SDA由0向1跳变；
数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；
当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；
地址位：定义同数据位，但只由Master发给Slave；
应答位（ACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否应答位（NACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。

当数据为单字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，停止位。

当数据为一串字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，8位数据，应答，……，8位数据，应答，停止位。

需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。
2，开始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master来发出。
3，地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送“Stop”。
4，当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送 “Stop”。
5，当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个节，Master应该回答“ACK” 以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。
6，当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放（SCL=0将发生“线与”）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

在实际应用中，并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下，编程者可以事先约定数据传送的长度，不发送ACK，有时可以起到减少系统开销的效果。