一篇文章讲透I2C总线协议 _I2C总线协议

最近一段时间工作上比较忙，一直没有抽出空来写文章与大家分享，这两天腾出些时间静下心来沉淀一番。看标题大家已经知道了是来总结I2C总线，我相信大家或多或少的都接触过I2C总线，这篇文章我们就由浅入深的仔细来研究研究，看看能不能挖掘些新东西，加深一下理解。
先说概念I2C英文全称Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成电路之间，也就是我们常说的I方C总线—I2C bus 。它是一种串行通讯总线，使用多主从架构，由飞利浦公司（恩智浦NXP的母公司）在80年代开发，用于主板、嵌入式系统连接周边低速设备。
I2C由两条双向开漏线组成，这是一个很大的优势，接线简单。两条线利用上拉电阻将电位上拉。典型电位为+3.3V或+5V 。标准传输速率为100Kb/s，低速模式10Kb/s 。
物理层下图为I2C总线的物理拓扑图，大家可以看到一共只有两条总线，一条SDA(serial data)数据线用来承载数据、一条SCL(serial clock line)时钟线用来控制数据收发时序。所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上，SCL都接到了总线的SCL上。每个设备都有自己的唯一地址，以保证设备之间访问的准确性。

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I2C总线的物理拓扑图
I2C在物理层的连接可以说是非常简单，这也是它最大的优势，原理就是通过控制SDA和SCL线的高低电平时序，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据传输。在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。
需要注意的是I2C的通讯方式为半双工，因为只有一条数据线，某一时刻只可能单向通讯。这也说明了I2C不适合大数据量的传输应用。
对于主机、从机的区分很简单，发布主要命令的就是主机，接受命令的就是从机，同一条I2C总线允许多个主机的存在。
协议层作为基础我们先来了解几个重要的小概念。
1、初始状态(即空闲状态)：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；
2、开始信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉低，此为开始信号，表明通讯开始。
3、终止信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉高，此为终止信号，表明本次通讯结束。

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到这里大家有没有发现点什么？当SCL处于高电平的时候，SDA电平一旦变化就会是一种信号，要么开始要么是终止。所以在数据传输过程中，SCL处于高电平时，SDA必须保持状态稳定，只有SCL处于低电平时SDA才可以变化。
4、应答信号：当发送器向接收器发送完一个字节/8位数据后，第9个时钟周期内，接收器必须给发送器一个应答信号，这样数据才算传输成功。高电平表非应答，低电平表应答。

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我们了解这几个信号状态后，来一步一步看看数据是如何传输的。
1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始信号+设备地址(7位)+读/写(1位)+等待从机应答+寄存器地址(8位)+等待从机应答+要写的数据(8位)+等待从机应答+终止信号。下图为24C02 EEPROM存储器写数据的时序图。

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2、写我们见识了，那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图，是不是一目了然了。值得注意的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1 。这里说一下为什么最后是NO ACK，在“读”这个操作下，主机为接收器，主机的NO ACK表示停止接收24C02的数据，不然24C02会继续发。

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3、我们再读一个长一点的：下图为读取24C02任意地址一个字节数据的时序图。开始信号+设备地址(7位)+写(1位)+等待从机应答+数据地址(8位)+等待从机应答。前面这一步为假写，目的是告诉24C02要读哪个地址的数据。继续，开始信号+设备地址(7位)+读(1位)+等待从机应答+读到的数据(8位)+等待主机(接收机)应答+终止信号。

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补点干货1、设备的地址。I2C设备的地址为8位，但是时序操作时最后一位不属于地址，而是读or写状态位。这就是为什么arduino的SH1106库里操作的地址不是0x7-而是0x3-，因为有用的是前7位，地址整体右移一位处理了。再一个设备地址的前四位是固定死的，是厂家用来表示设备类型的，比如接口为I2C的温度传感器类设备地址前四位一般为1001即9X、EEPROM存储器地址前四位一般为1010即AX、oled屏地址前四位一般为0111即7X等等。