I2C總線通訊協議

1. I2C總線簡介

I2C是Inter-Integrated Circuit的簡稱，讀作：I-squared-C。由飛利浦公司於1980年代提出，為了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊外部設備而發展。

主要用途：

SOC和周邊外設間的通信（如：EEPROM，電容觸摸芯片，各種Sensor等）。

1.1 物理接口

I2C總線只使用兩條雙向漏極開路的信號線（串行數據線：SDA，及串行時鍾線：SCL），並利用電阻上拉。I2C總線僅僅使用SCL、SDA兩根信號線，就實現了設備間的數據交互，極大地簡化了對硬件資源和PCB板布線空間的占用。I2C總線廣泛應用在EEPROM、實時時鍾、LCD、及其他芯片的接口。I2C允許相當大的工作電壓范圍，典型的電壓基准為：+3.3V或+5V。

SCL（Serial Clock）：串行時鍾線，傳輸CLK信號，一般是主設備向從設備提供
SDA（Serial Data）：串行數據線，傳輸通信數據

I2C總線接口內部結構如下圖所示：

I2C使用一個7bit的設備地址，一組總線最多和112個節點通信。最大通信數量受限於地址空間及400pF的總線電容。

常見的I2C總線以傳輸速率的不同分為不同的模式：標准模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s），時鍾頻率可以被下降到零，即暫停通信。

該總線是一種多主控總線，即可以在總線上放置多個主設備節點，在停止位（P）發出后，即通訊結束后，主設備節點可以成為從設備節點。

主設備節點：產生時鍾並發起通信的設備節點
從設備節點：接收時鍾並響應主設備節點尋址的設備節點

 1）I2C通信雙方地位不對等，通信由主設備發起，並主導傳輸過程，從設備按I2C協議接收主設備發送的數據，並及時給出響應。
 2）主設備、從設備由通信雙方決定（I2C協議本身無規定），既能當主設備，也能當從設備（需要軟件進行配置）。
 3）主設備負責調度總線，決定某一時刻和哪個從設備通信。同一時刻，I2C總線上只能有一對主設備、從設備通信。
 4）每個I2C從設備在I2C總線通訊中有一個I2C從設備地址，該地址唯一，是從設備的固有屬性，通信中主設備通過從設備地址來找到從設備。

I2C總線多主設備結構如下圖所示：

1.2 通訊特征

串行、同步、非差分、低速率

1）串行通信，所有的數據以位為單位在SDA線上串行傳輸
2）同步通信，即雙方工作在同一個時鍾下，一般是通信的A方通過一根CLK信號線，將A設備的時鍾傳輸到B設備，B設備在A設備傳輸的時鍾下工作。同步通信的特征是：通信線中有CLK。
3）非差分，I2C通信速率不高，且通信距離近，使用電平信號通信。
4）低速率，I2C一般是同一個板子上的兩個IC芯片間通信，數據量不大，速率低。速率：幾百KHz，速率可能不同，不能超過IC的最高速率。

1.3 I2C總線狀態

I2C總線上有兩種狀態：

空閑態：沒有設備發生通信。
忙態：其中一個從設備和主設備通信，I2C總線被占用，其他從設備處於等待狀態。

2. I2C總線通信協議

時序：在通信中時序是通信線上按時間順序發生的電平變化，及這些電平變化對通信的意義。

每個通信周期都由一個起始位開始通信，由一個結束位結束通信，中間部分是傳遞的數據。

每個通信周期，主設備會先發8位的從設備地址（從設備地址由高7位的實際從設備地址和低1位的讀/寫標志位組成），主設備以廣播的形式發送從設備地址，I2C總線上的所有從設備收到地址后，判斷從設備地址是否匹配，不匹配的從設備繼續等待，匹配的設備發出一個應答信號。

同一時刻，主設備、從設備只能有一個設備發送數據。

2.1 起始位和結束位

I2C總線通訊由起始位開始通訊，由結束位停止通訊，並釋放I2C總線。起始位和結束位都由主設備發出。
起始位（S）：在SCL為高電平時，SDA由高電平變為低電平
結束位（P）：在SCL為高電平時，SDA由低電平變為高電平

如下圖所示：

2.2 數據格式與應答

I2C數據以字節（即8bits）為單位傳輸，每個字節傳輸完后都會有一個ACK應答信號。應答信號的時鍾是由主設備產生的。

應答（ACK）：拉低SDA線，並在SCL為高電平期間保持SDA線為低電平
非應答（NOACK）：不要拉低SDA線（此時SDA線為高電平），並在SCL為高電平期間保持SDA線為高電平

在傳輸期間，如果從設備來不及處理主設備發送的數據，從設備會保持SCL線為低電平，強迫主設備等待從設備釋放SCL線，直到從設備處理完后，釋放SCL線，接着進行數據傳輸。

如下圖所示：

2.3 數據傳輸通訊

1）寫數據

開始數據傳輸后，先發送一個起始位（S），主設備發送一個地址數據（由7bit的從設備地址，和最低位的寫標志位組成的8bit字節數據，該讀寫標志位決定數據的傳輸方向），然后，主設備釋放SDA線，並等待從設備的應答信號（ACK）。每一個字節數據的傳輸都要跟一個應答信號位。數據傳輸以停止位（P）結束，並且釋放I2C總線。

2）讀數據

開始通訊時，主設備先發送一個起始信號（S），主設備發送一個地址數據（由7bit的從設備地址，和最低位的寫標志位組成的8bit字節數據），然后，主設備釋放SDA線，並等待從設備的應答信號（ACK），從設備應答主設備后，主設備再發送要讀取的寄存器地址，從設備應答主設備（ACK），主設備再次發送起始信號（Sr），主設備發送設備地址（包含讀標志），從設備應答主設備，並將該寄存器的值發送給主設備；

讀取單字節數據：
主設備要讀取的數據，如果是只有一個字節的數值，就要結束應答，主設備要先發送一個非應答信號（NOACK），再發送結束信號（P）；
讀取多字節數據：
主設備要讀取的數據，如果是大於一個字節的多個數據，就發送ACK應答信號（ACK），而不是非應答信號（NOACK），然后主設備再次接收從設備發送的數據，依次類推，直到主設備讀取的數值是最后一個字節數據后，需要主設備給從設備發送非應答信號（NOACK），再發送結束信號（P），結束I2C通訊，並釋放I2C總線。

注意：所有的數據傳輸過程中，SDA線的電平變化必須在SCL為低電平時進行，SDA線的電平在SCL線為高電平時要保持穩定不變。如下圖所示：

3. 總結

本文講述了I2C總線的特征和總線協議，具體的實現方法有兩種：

一種是：I2C總線協議的軟件模擬實現方法。
另一種是：Linux內核中I2C模塊的實現方法。