IIC (一) -- 协议和基础知识介绍

I2C协议硬件连接

下图左边是一个SOC芯片，上面有两个I2C控制器，顺着两根线往右可以看到每个控制器上各有两个I2C device。两根线上还分别有两个上拉电阻接到3.3V。

特征：
1.I2C总线上可以同时挂接多个设备。
2.I2C总线有两根线，一个是SCL时钟线，一个是SDA数据线。
3.总线上都需要上拉电阻。

I2C 通讯流程

发数据

主机在总线上发起数据，主机负责SCL和SDA信号的控制，从机只负责在SCL为高电平的时候，读取SDA的信号。

1. （谁发）主机发起start信号。告诉总线上，“我”要开始发数据了。
2. （发给谁）然后发出一个设备地址，长度为7bit。同时包括1bit的数据方向，0表示写数据，1表示读数据。
3. （等待确认）从设备回应，确认总线上的设备存在，然后就可以发数据。如果没有，则无法收到回应信号。
4. （数据传输）主机每发送一个字节数据，接收方就要回应信号，用于确认数据是否接受完成，然后才能开始下一个数据的传输。
5. （结束）当全部数据发送完毕，主机就会发送一个停止信号。

数据格式

下图中，白色部分为主机方发送，灰色部分为从机发送。图自韦东山老师I2C协议课程。

读数据

当主机读取从机发送来的数据时，SCL时钟线依旧由主机控制，从机负责SCL时钟信号为高电平时，将数据发送到总线上。
1.（谁发）主机发出一个start信号。
2.（发给谁）和主机发数据一样，然后发出一个设备地址信息，方向和发数据相反，此时方向数据为1。表示要请求数据。
3.（等待确认）等待设备地址上的设备回应。若没有设备回应则结束。
4.（数据传输）设备回应后，开始数据传输，每发送一个字节数据，就要等待请求方回应确认信号。
5.（结束）当全部数据传输结束，主机会发送一个停止信号。

可以看出，无论读数据还是写数据，发起方总是主机侧。区别是设备地址后方向的bit标志位，以及应答信号来源。

I2C协议信号

I2C协议中传输数据的单位是字节，也就是8bit，由于“应答”信号的原因，需要占用9个时钟跳变。前面8个时钟信号都是用来传输数据，第9个时钟用来传输应答信号。
传输信号时，先传输最高位（MSB）。这里和SPI协议一致。

• （S）开始信号：SCL为高电平，SDA由高电平向低电平跳变，开始数据传输。
• （P）结束信号：SCL为高电平，SDA由低电平向高电平跳变，结束数据传输。
• （ACK）应答信号：接收器在收到8bit数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA。
• 传输时，SDA上传输的数据必须时在SCL为高的时候保持稳定，SDA的数据只能在SCL为低电平的时候变化（准备）。

下图是一个完整的数据传输的细节。
1.当主机要发送一个数据时，主机会将SDA由高拉低，SCL此时为高。这时，一个start就发起了。
2.从机发现总线上的信号变化，知道要开始传输数据了。后面，主机就开始传输数据。一个bit一个bit的传输数据，先传高位MSB，从机每次读取的时候都是在SCL为高电平的时候。
3.直到8bit数据全部传完。主机释放SDA线，同时拉低SCK，交由从机来控制SDA线，即等待从机回应ACK信号。此时从机若需要应答，则从机会在SCL拉高之前，将SDA拉低。这是主机会在SCL第九个时钟来的时候，读取SDA，若此时为低电平，则认为收到了ACK，否则为NACK。
4.主机读完第九个SCL后，会再次将时钟拉低。以开展下一次周期的数据读写。如此反复。
5.如果，主机想要在接下来发送一个停止位信号，主机会在SCL为低的时间内将SDA拉低，再拉高，再SCL为高的时候将SDA释放。这样，一个STOP停止信号就产生了。此时SDA,SCL都为高，总线空闲。

总之，SCL由主机控制，SDA是双向的，主机和从机都可以控制。
注意，并不是每传输8bit数据后，都会由ACK应答信号：
1.当从机地址不存在的时候，或者从机忙于其他事无法响应I2C 总线的操作。这时，主机发出一个STOP停止信号或者重新发出一个开始新的传输。
2.如果从机不能接收更多的数据时，也不会发出ACK信号。此时主机发出STOP停止信号或者发出新的一个开始信号。
3.主机接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号。于是，从机释放SDA线，允许主机发出停止信号。