通信協議篇——I2C
1.簡介
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種串行通信總線，總線上可以掛多個設備，可實現同步半雙工通信
2.原理
通信方式
I2C通信屬於串行通信，使用串行數據線SDA和串行時鍾線SCL兩線實現同步半雙工通信。
同步通信和異步通信的區別：
１、異步通信中的接收方並不知道數據什么時候會到達，收發雙方可以有各自自己的時鍾。發送方發送的時間間隔可以不均，接收方是在數據的起始位和停止位的幫助下實現信息同步的。這種傳輸通常是很小的分組，比如一個字符為一組，為這個組配備起始位和結束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的，畢竟額外加入了很多的輔助位作為負載，常用在低速的傳輸中。
2、同步通信中雙方使用頻率一致的時鍾 ，它的分組相比異步通信則大得多，稱為一個數據幀，通過獨特的bit串作為啟停標識。發送方要以固定的節奏去發送數據，而接收方要時刻做好接收數據的准備，識別到前導碼后馬上要開始接收數據了。同步這種方式中因為分組很大，很長一段數據才會有額外的輔助位負載，所以效率更高，更加適合對速度要求高的傳輸，當然這種通信對時序的要求也更高。
I2C通信中，主機通過時鍾線SCL發送時鍾信號，通過數據線SDA發送數據（包括從機地址、指令、數據包等），在發送完一幀數據后，需要等待從機的響應，才能繼續發送下一幀數據，因此I2C屬於同步通信。
I2C通信中，數據在一根數據線SDA上傳輸，同一時刻數據傳輸的方向只能是單向的，從A到B或者從B到A；通過切換傳輸方向從而實現雙向通信，因此I2C屬於半雙工通信。
數據格式
I2C通信的數據包大小為8bit，主要有三類——指令、字節地址、數據。數據傳輸時，按照高位在前，低位在后的順序（即MSB First，LSB Last）。
I2C通信通過時鍾線SCL和數據線SDA確定幾種通信狀態——空閑狀態、啟動信號、停止信號、數據位傳輸、應答信號。
空閑狀態
當I2C總線的SDA和SCL兩條信號線同時處於高電平時，規定為總線的空閑狀態。此時各個器件的輸出級場效應管均處在截止狀態，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。
啟動信號
在時鍾線SCL保持高電平期間，數據線SDA上的下降沿，定義為I2C總線的啟動信號，它標志着一次數據傳輸的開始。啟動信號是由主機建立的，在建立該信號之前，I2C總線必須處於空閑狀態。
停止信號
在時鍾線SCL保持高電平期間，數據線SDA上的上升沿，定義為I2C總線的停止信號，它標志着一次數據傳輸的終止。停止信號是由主機建立的，建立該信號之后，I2C總線將返回空閑狀態。
數據位傳輸
在I2C通信中，時鍾線SCL上的每一個時鍾，同步對應着數據線SDA上的一位數據。即在SCL串行時鍾的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數據。進行數據傳送時，在SCL是高電平期間，SDA上的電平必須保持穩定，低電平為數據0，高電平為數據1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態。
應答信號
I2C總線上的所有數據都是以8bit字節傳輸的，發送器每發送一個字節，就在第9個時鍾開始時釋放數據線，由接收器反饋一個應答信號。應答信號為低電平時，規定為有效應答位（ACK），表示接收器已經成功地接收了該字節；應答信號為高電平時，規定為非應答位（NACK），一般表示接收器接收該字節沒有成功。對於反饋有效應答位ACK的要求是，接收器在第9個時鍾脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，並且確保在該時鍾的高電平期間為穩定的低電平。
如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節后，發送一個NACK信號，以通知被控發送器結束數據發送，並釋放SDA線，以便主控接收器發送一個停止信號。
操作時序
I2C設備的操作時序有四種，分別為寫單個存儲字節，寫多個存儲字節，讀單個存儲字節和讀多個存儲字節。操作時序如下圖：
具體通信過程
以寫單個存儲字節這一操作為例，介紹I2C通信的具體流程：
初始狀態：SCL、SDA都為高電平，總線處於空閑狀態；
→啟動信號：在SCL為高電平時，SDA由高變低，產生下降沿，此時I2C通信開始啟動；
→發送7位從機地址和1位讀寫指令：按位傳輸，按照高位在前、低位在后的順序，且遵循SCL高電平時SDA上的數據保持不變，SCL低電平時SDA上的數據發生改變的原則，每個時鍾脈沖發送一位地址數據；
→接收響應：I2C通信中，每發送完8bit數據，會接收1bit響應；此時，主機先把數據線SDA釋放，然后在第9個時鍾脈沖的高電平期間讀取SDA上的應答信號，0代表ACK信號，1代表NACK信號；只有接收到ACK信號，才繼續之后的操作，否則重新開始通信過程；
→發送8位字節地址：同上；
→接收響應：同上；
→寫入8位數據：同上；
→接收響應：同上；
→停止信號：在SCL為高電平時，SDA由低變高，產生上升沿，此時I2C通信結束。
其他三種操作的具體流程是類似的。
標准接口
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