I2C 通信协议

I2C 通信协议

1. I2C 简介

• I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线；
• 两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）；这两根线都是主机在控制。
• 同步，半双工；
• 带数据应答；
• 支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）；一主多从就是单片机作为主机，主导 I2C 总线的运行，挂载在 I2C 总线的所有外部模块都是从机，从机只有被主机点名之后才能控制 I2C 总线，不能再未经允许的情况下去碰 I2C 总线，防止冲突。多主多从是在总线上任何一个模块都可以主动跳出来，控制总线，但是同一个时间只能有一个模块控制总线，当多个模块同时要控制总线时，就产生了总线冲突，I2C 协议会进行仲裁，决定一个模块取得控制权，失败的一方自动变回从机，由于时钟线也是由主机控制的，所以在多主机模型下，还需要进行时钟同步。多主机情况下，协议是比较复杂的。

2. 硬件电路

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起；
• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式；
• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右；

上面的 CPU 作为主机，主机的权力很大，包括对 SCL 线的完全控制，任何时候，都是主机完全掌控 SCL 线。在空闲状态下，主机可以主动发起对 SDA 的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交 SDA 的控制权给从机。从机的权利比较小，对于 SCL 时钟线，在任何时刻都只能被动的读取，从机不允许控制 SCL 线；对于 SDA 数据线，从机不允许主动发起对 SDA 的控制，只有在主机发起读取从机的时候或者从机应答的时候，从机才能短暂地取得 SDA 的控制权。

I2C 所有的设备，包括 CPU 和被控 IC，引脚的内部结构都是下图这样的：

左边是 SCL 的结构，右边是 SDA 的结构，都包含输入和输出。首先引脚的信号进来，都可以通过一个数据缓冲器或者是斯密特触发器进行输入到 IN 口，因为输入对电路没有任何影响，所以任何设备在任何时刻都是可以输入的。但在输出的部分，也就是 OUT 口，采用的是开漏输出的配置，所有设备都只能输出低电平而不能输出高电平，为了避免引脚浮空，所以都需要在 SCL 和 SDA 各外置一个上拉电阻，通过一个电阻拉到高电平的，属于弱上拉。

开漏模式有一个特点：“线与”，只要有任意一个或多个设备输出低电平，总线就处于低电平；只有所有设备都输出高电平，总线才处于高电平。I2C 就是利用这一特性，执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁。

所以这里 SCL 虽然在一主多从模式下可以用推挽模式，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式。因为多主多从要用到这个模式。

3. I2C 时序基本单元

3.1 起始和终止条件

• 起始条件：SCL 高电平期间，SDA 从高电平切换到低电平。
• 终止条件：SCL 高电平期间，SDA 从低电平切换到高电平。

在 I2C 总线处于空闲状态时，SCL 和 SDA 都处于高电平状态，也就是没有任何一个设备去碰 SCL 和 SDA。SCL 和 SDA 由外挂的上拉电阻拉高至高电平，总线处于平静的高电平状态。当主机需要进行数据收发时，要先打破总线的高电平，产生一个起始条件。当从机捕获到 SCL 高电平，SDA 下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤。主机要在把 SCL 拉低，一方面是占用这个总线，另一方面是为了方便这些基本单元的拼接，就是保证除了起始和终止条件，每个时序单元的 SCL 都是以低电平开始，低电平结束。这样这些单元拼接起来，SCL 才能续得上。

起始和终止都是由主机产生的，从机不允许产生起始和终止。在总线空闲状态时，从机必须始终双手放开，不允许主动跳出来，去碰总线。如果允许的话，就是多主机模型了。

3.2 发送一个字节

• 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

起始条件之后，SCL 处于低电平，主机如果想发送0，就拉低 SDA 到低电平，如果想发送 1，就放手，SDA 回弹到高电平。在 SCL 低电平期间，允许改变 SDA 的电平；当放好一位数据之后，主机就松手时钟线，SCL 回弹到高电平。在高电平期间，是从机读取 SDA 的时候。一般都是在 SCL 的上升沿的时候，从机就已经读取完成了。因为时钟是主机控制的，从机并不知道什么时候就会产生下降沿，所以从机在上升沿时，就会立刻把数据读走。主机过以一段时间之后就可以继续拉底 SCL，传输下一位。主机需要在 SCL 下降沿之后尽快把数据放在 SDA 上。主机有SCL的控制权，所以只需要在低电平的任意时刻把数据放在 SDA 上就行。数据放完之后，主机再松手 SCL，SCL高电平继续下一个比特的传输。就这样的流程，在 SCL 的同步下，依次进行主机发送和从机接收。循环八次就发送了八位数据。

由于这里有时钟线进行同步，所以如果主机一个字节发送一半，突然进中断了，不操作 SCL 和 SDA了，时序就会在中断的位置不断拉长。SDA 和 SCL 就会暂停变化，传输也完成暂停，等中断结束后，主机回来继续操作。传输仍然不会出问题，这就是同步时序的好处。

上面整个过程是主机发送一个字节，所以 SDA 和 SCL全程由主机掌控，从机只能被动读取。

3.3 接收一个字节

• 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA，释放 SDA 相当于切换成输入模式，可以这样理解，所有设备包括主机都始终处于输入模式，当主机需要发送的时候，就可以主动去拉低 SDA，而主机在被动接收的时候，就必须先释放 SDA，因为总线是线与的特征，任何一个设备拉低了，总线就是低电平，如果接收的时候，还不释放 SDA，那别人无论发什么数据，总线都始终是低电平）。

实线部分表示主机控制的电平，虚线部分表示从机控制的电平。

SCL 全程由主机控制。SDA 主机在接收前要释放，交由从机控制。因为 SCL 时钟是由主机控制的，所以从机的数据变换基本上都是贴着 SCL 下降沿进行的，而主机可以在 SCL 高电平的任意时刻读取。

3.4 应答机制

• 发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答。发送应答位的目的是告诉从机是否还要继续发。如果从机发送一个数据后，得到了主机的应答，那从机就会继续发送。如果从机没得到主机的应答，就会释放 SDA，交出 SDA 的控制权，防止干扰主机之后的操作。
• 接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）。在调用发送一个字节之后，就要紧跟着调用接收应答的时序，用来判断从机有没有收到刚才给它的数据，如果从机收到了，在应答位这里，主机释放 SDA 的时候，从机就应该立刻把 SDA 拉下来，然后在 SCL 高电平期间，主机读取应答位。如果应答位为 0，就说明从机确实收到了。这个场景就是主机刚发送一个字节，然后把 SDA 放手，SDA 回弹高电平，如果有接收到的从机，就会把 SDA 拉下来，然后主机会在 SCL 高电平的时候读取数据，就会发现有人把 SDA 拽下来了，就会知道对方接收到了。如果主机读取到 SDA 在它释放之后，并没有被拽下来，就说明没有人回应，或者收到了没有回应。

4. I2C 时序

每个设备都有确定一个唯一的设备地址。主机在起始条件之后，要先发送一个字节叫一下从机名字。所有从机都会收到第一个字节，和自己的名字进行比较，如果不一样，就可以认为主机没有喊我，之后的时序就可以不管了。如果一样就说明，主机现在在叫我，就要响应之后主机的读写操作。在同一条 I2C 总线里，挂载的每个设备地址必须不一样。

从机设备地址，在 I2C 协议标准里分为 7 位地址（比较广泛）和 10 位地址。每个 I2C 设备出厂时，厂商都会为它分配一个 7 位的地址。一般不同型号的芯片地址都是不同的，相同型号的芯片地址都是一样的。当相同的芯片挂载在同一条总线时，就需要用到地址中的可变部分，一般器件地址的最后几位是可以在电路中改变的。

4.1 指定地址写

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）。

先发送设备地址，再指定设备地址中某个寄存器的地址，然后再发送数据。

SCL 和 SDA 在空闲状态下都是高电平，在 SCL 高电平的情况下，SDA 拉低，产生起始条件。紧跟着的时序是发送一个字节的时序。字节的内容是从机地址+读写位（0表示写，1表示读），从机地址是 7 位，读写位是 1 位。发送从机地址就是确定通信的对象。发送读写位就是确认接下来是要写入还是读出。SCL 低电平期间，主机变换 SDA 数据；SCL 高电平期间，从机读取 SDA 数据。

当发送完一个字节之后，紧跟着的单元就得是接收从机的应答位（Receive Ack，RA）。在这个时刻，主机要释放 SDA，引脚电平回弹到高电平，根据协议规定，从机要在这个位拉低 SDA。应答位结束后，从机就要释放 SDA。

从机设备可以自己定义第二个字节和后续字节的用途，一般第二个字节可以是寄存器地址或者是指令控制字等。

第三个字节发送完毕之后，如果不需要再继续传输数据了，就可以产生一个停止条件（Stop，P）。在停止条件之前，先拉低 SDA，为后续 SDA 的上升沿做准备。然后释放 SCL，再释放 SDA。这样就产生了 SCL 高电平期间，SDA 的上升沿，也就产生了停止条件。

4.2 当前地址读

对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）。当前地址读不能指定读的地址。

当第一个字节的最后一位是读的情况下，第二个字节，数据的传输方向就要反过来，主机要把 SDA 的控制权交给从机。主机调用接收一个字节的时序，进行接收操作。从机得到主机的允许，可以在 SCL 低电平期间写入 SDA，然后主机在 SCL 高电平期间读取 SDA。主机在 SCL 高电平期间依次读取 8 位，就接收到了从机发送的一个字节数据。

这里会出现一个问题，I2C 协议规定，在主机进行寻址时，一旦读写标志位给 1 了，表示读，下一个字节就要立马转为读的时序，所以主机还来不及指定，想要读哪个寄存器就的开始接收了，所以这里就没有指定地址这个环节。但主机没有指定地址，从机应该发哪个寄存器的数据呢？在从机中，所有的寄存器被分配到一个线性区域中，并且会有一个单独的指针变量指示这其中一个寄存器，这个就是当前地址指针。这个指针上电默认指向 0 地址，每写入一个字节和读出一个字节后，这个指针就会自增一次。

4.3 指定地址读

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）。

我们参考指定地址写的时序，一开始两个字节的时序，是指定地址的时序（发送设备地址和寄存器地址），把后面写数据的部分去掉，然后追加到这个当前地址读时序的前面，就得到了指定地址读的时序。但是中间会多一个 Sr（Start Repeat），重复起始条件，相当于另起一个时序。因为指定读写标志位只能是跟着起始条件的第一个字节，所以想要切换读写方向，只能再起一个起始条件。起始条件后重新寻址并指定读写标志位。

如果要读取多个字节，最后的时序可以多个，读完一个字节后再上一个Ack，然后重复这个过程，就可以读取多个字节。

如果只想读一个字节，在读完一个字节之后，一定要给从机发送一个非应答（Send Ack， SA），就是该主机应答时，主机不把 SDA 拉低。从机读到 SDA 为 1，就表示主机没有应答。从机收到非应答后，就知道主机不想要继续了。从机就会释放总线，把 SDA 控制权交还给主机。然后主机应答了，从机就会认为主机还要数据，就会读取下一个指针指向的数据并发送。

从机控制 SDA 发生一个字节的权利，开始于读写标志位为 1，结束于主机给应答为 1。