通信协议篇——I2C通信

通信协议篇——I2C通信

1.简介

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，总线上可以挂多个设备，可实现同步半双工通信。

2.原理

通信方式

I2C通信属于串行通信，使用串行数据线SDA和串行时钟线SCL两线实现同步半双工通信。

同步	接收端时钟频率和发送端时钟频率一致
异步	接收端时钟频率和发送端时钟频率不一致

同步通信和异步通信的区别：

• 异步通信中的接收方并不知道数据什么时候会到达，收发双方可以有各自自己的时钟。发送方发送的时间间隔可以不均，接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。这种传输通常是很小的分组，比如一个字符为一组，为这个组配备起始位和结束位。所以这种传输方式的效率是比较低的，毕竟额外加入了很多的辅助位作为负载，常用在低速的传输中。
• 同步通信中双方使用频率一致的时钟 ，它的分组相比异步通信则大得多，称为一个数据帧，通过独特的bit串作为启停标识。发送方要以固定的节奏去发送数据，而接收方要时刻做好接收数据的准备，识别到前导码后马上要开始接收数据了。同步这种方式中因为分组很大，很长一段数据才会有额外的辅助位负载，所以效率更高，更加适合对速度要求高的传输，当然这种通信对时序的要求也更高。

单工	在任何时间，数据只能单向传输
半双工	能够双向通信，但通信双方不能同时进行数据收发，在同一时刻只有一方发送另一方接收
全双工	能够双向通信，且通信双方能够同时进行数据收发，两者同步进行

I2C通信中，主机通过时钟线SCL发送时钟信号，通过数据线SDA发送数据（包括从机地址、指令、数据包等），在发送完一帧数据后，需要等待从机的响应，才能继续发送下一帧数据，因此I2C属于同步通信。

I2C通信中，数据在一根数据线SDA上传输，同一时刻数据传输的方向只能是单向的，从A到B或者从B到A；通过切换传输方向从而实现双向通信，因此I2C属于半双工通信。

数据格式

I2C通信的数据包大小为8bit，主要有三类——指令、字节地址、数据。数据传输时，按照高位在前，低位在后的顺序（即MSB First，LSB Last）。

类型	格式
指令	7位从机地址+1位读写命令（写0，读1）
字节地址	8位字节地址，从这个地址开始读写数据
数据	8位数据

I2C通信通过时钟线SCL和数据线SDA确定几种通信状态——空闲状态、启动信号、停止信号、数据位传输、应答信号。

空闲状态

当I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

启动信号

在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的下降沿，定义为I2C总线的启动信号，它标志着一次数据传输的开始。启动信号是由主机建立的，在建立该信号之前，I2C总线必须处于空闲状态。

停止信号

在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的上升沿，定义为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。停止信号是由主机建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。

数据位传输

在I2C通信中，时钟线SCL上的每一个时钟，同步对应着数据线SDA上的一位数据。即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。进行数据传送时，在SCL是高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。

应答信号

I2C总线上的所有数据都是以8bit字节传输的，发送器每发送一个字节，就在第9个时钟开始时释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。
如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。

操作时序

I2C设备的操作时序有四种，分别为写单个存储字节，写多个存储字节，读单个存储字节和读多个存储字节。操作时序如下图：

具体通信过程

以写单个存储字节这一操作为例，介绍I2C通信的具体流程：