I2C协议简介 admin 17/07/10
说明
在本教程中，您将学习所有关于I2C通信协议，为什么要使用它，以及它是如何实现的。
I2C协议是一个允许多个“从机”芯片和一个或更多的“主机”芯片进行通讯的协议。 它就像串行外设接口（SPI）一样，只能用于短距离通信。又像异步串行接口（如RS232或UART）， 只需要两根信号线来交换信息。
为什么使用I2C
要弄清为什么需要I2C，先来比较其他两项可用方案，看看它是如何的不同。
异步串行通讯(UART)有啥问题
因为UART是异步的（无时钟数据传输），通讯双方必须事先约定数据速率。 两个设备必须有接近相同的时钟，过度的时钟差异将导致数据丢失。
异步串行端口需要硬件开销,如果用软件实现，相对复杂和困难。UART数据帧至少包含一位开始位和一位停止位，这意味着每10位的传输时间只能传输8位有效数据，消耗数据带宽。
异步串行端口的另一个核心的缺点是，他们天生就只适合一对（两个）设备之间的通信。 如果一定要挂载多个设备,存在总线争用问题,（可能有两个设备试图同时输出信号）。这一点必须小心处理以防止 损坏设备的，这通常需要外部硬件配合。
最后，仍旧是数据率问题。虽然没有限制的异步串行通信，大多数UART设备只支持一组特定的固定波特率， 和最高的这些通常在230400比特/秒。
SPI有啥问题
SPI最明显的缺点是引脚数量要求。连接一主一从两设备需要四根线；每增加一个从机还需要一个额外的片选择信号。 过多的连线使PCB布局变得更加困难。SPI总线上只允许一个主机，但它支持任意数量的从机（仅受设备驱动能力限制）。
SPI是良好的高速、全双（同时发送和接收数据）连接，支持时钟频率可达10MHz以上（1000万比特每秒）。 两端的硬件通常是一个非常简单的移位寄存器，使软件易于实现。
I2C两全其美！
I2C同UART一样，只需要两根导线，但那两线最多可以支持1008个设备。同SPI相比，I2C还可以支持多主系统， 允许多个主设备与总线上的所有从设备进行通信（虽然主设备不能互相通讯，必须轮流使用总线）。
I2C的数据率介于UART和SPI之间；I2C设备可以工作在100kHz到400kHz之间。 I2C有一些协议开销；每发送8位数据，需要插入一个额外的位（“ACK/NACK”，稍后讨论）。
I2C的硬件比SPI更复杂，但比UART简单。可以软件实现。
I2C 简史
I2C最初是在1982年由飞利浦提出。最初的规格仅允许100khz通信，只有7位地址， 限制设备数量上限为112（有几个保留的地址，不会被用于有效的I2C地址）。 1992年首次公开的规范版本，添加一个400kHz的快速模式以及扩展的10位地址空间。 通常，大部分I2C设备都能支持这一速率。
I2C另有三个规格：快速模式(1MHz)；高速模式(3.4Mhz)；超快速模式(5MHz)
I2C总线在硬件层面
信号
每一个I2C总线由两个信号：SCL和SDA。SCL的时钟信号，SDA是数据信号。 时钟信号是由当前总线主设备产生的；一些从机可能会强制拉低时钟信号，以延迟的主机发送更多的数据 （或告诉主机，自己需要更多的时间来准备送往主机的数据）。这就是协议中描述的所谓“时钟延展”。
不像UART或SPI连接，I2C总线驱动是 “开漏” 的，意味着他们可以把相应的信号线拉低，但不能把它拉高。因此，不可能有总线竞争(一个设备试图拉高信号线而另一个设备试图把它拉低), 消除了系统中的驱动接口损害可能性。每一个信号线具有一个上拉电阻，没有设备拉低式。靠此电阻将信号线拉高。
注意在两个通信线路的两个上拉电阻。
上拉电阻需根据总线上的设备数量选择，一个好的经验法则是从4.7K开始向下调整。 I2C是一个相当强大的协议，可使2~3米的信号线。如果信号线较长，或系统中有许多设备，应该选择较小上拉电阻。
信号电平
由于I2C总线上的设备没有驱动高电平的能力，I2C允许连接不同的I/O电压的器件。 一般来说，如果同一个系统里有两种电源电压供电的I2C设备，可以不通过任何电平移位电路，直接 将这两个设备连接起来。诀窍是上拉电阻接较低的那个电压。只要保证这个较低的电源电压，超过了高电压设备 的最低逻辑高电平，例如5V CMOS和3.3V CMOS的I2C设备。
如果两个系统之间的电压差太大（比如，5V和2.5V）、需要考虑电平移位电路板
协议
I2C通讯比UART和SPI通讯更加复杂。信号必须遵循一定的协议才能被其他设备识别。 幸运的是，大多数设备自己能够处理这些烦琐的细节，你只需要关心你想交换数据即可。
基础
消息被分成两种帧：一个地址帧，主设备用它表示该消息被发给那个从设备， 和一个或多个数据帧，每帧包含主从设备之间交换的8位数据信息。数据在SCL变低时由发送端输出到SDA上， 在SCL线变高时被接收端采样。不同芯片有不同的时钟周期和读/写间隔期，使用时不能超出其允许范围。
启动条件
位启动地址帧，主设备释放SCL、拉低SDA。这通知从设备，地址帧传递即将开始。 如果两个主设备，争用总线控制权，则首先拉低SDA的那个设备赢得总线控制权。 已经取得总线控制权的设备，可以启动一个新的通信序列而不放弃对总线的控制；这点以后再谈。
地址帧
地址帧总是在通信序列头部。对于一个7位的地址，最高有效位（MSB）首先送出， 后面跟一位(第8位)R/W位，R/W指示这是一个读（1）或写（0）操作。
不论数据帧或地址帧, 第9位是一个应答位(NACK/ACK位)。 一旦该帧的前8位发送完毕、接收装置立即控制SDA。如果接收设备不在第九个时钟脉冲将SDA线拉低， 可以推断出该接收装置没有接收数据或不知道如何解析这帧数据。在这种情况下，交易失败终止， 由主设备决定如何后续处理。
数据帧
紧跟址帧，数据可以被发送。主机将会继续定期生成时钟信号，主机或从机将数据 放在SDA上，这取决于R/W位表示的读或写操作。数据帧可以有任意个，大多数从设备会自动增加内部地址寄存齐， 这意味着连续地址上的数据可在一个读写周期连续传输。
停止条件
一旦所有的数据帧传输完毕，主会产生一个停止条件。停止条件是指在保持SCL为高 电平的情况下，在SDA上输出一个由0→1（低到高）的跳变。正常的数据写入操作过程中， SCL为高电平的情况下，SDA是不能变化的。
高级协议内容
10位地址
在一个10位的寻址系统，需要用两帧来发送从机地址。第一帧将包含代码b11110xyz， 这里的“X”是从机地址的最高位，Y是8位的从机地址Bit8，Z是读/写位，其意义同7位地址系统一样。 第一帧的ACK位将由匹配的地址的前两位所有的从机发出。第二帧结构同一个正常的8位数据帧一样，只不过这里传递的信息 是地址位7:0，在这帧的ACK位上， 地址完全相符的从机应该回应一个ACK位。如果没有ACK，失败处理与7位系统相同。
值得注意的是，10位地址的设备可以7位地址设备共存，因为“11110”开头地址是不是有效的7位地址。
重复起始条件
有时候，一个主设备可以连续进行一到几个消息交换、不被总线上其他主设备打断是很有用的， 为此，定义了重复启动条件。
为执行一个重复的开始，当SCL拉时，SDA被释放(变高)、然后SCL释放(变高)， 再然后，当SCL为高时，再次拉低SDA。(简单地说：重复起始条件就是在SCL为高是，SDA输出1→0的跳变)。 因为，跳过了终止条件，总线不会被其他主设备抢占。
据此，下一个新消息可以开始传输。这个新消息的语法同正常消息一样包含 地址、数据帧。协议允许任何次数的重复开始，直到主设备发出一个停止条件为止。
时钟延伸
有时，主机的数据速率将超出从机的能够达到的数据速率。这可能是因为 从机数据还没有准备好（例如，从机还没有完成模数转换）或因为先前的操作还没有完成（如EEPROM没 有完成写入操作）。
在这种情况下，一些从设备将执行所谓的“时钟延伸”。通常、时钟是由主设备 控制，从机只是按照主机发出的时钟将数据放到SDA上或者从SDA上采样数据。在数据传输过程中的任何时刻， 从机可以强制拉低SCL信号。 主机需要等待从机释放SCL线后才可继续操作。