據非官方統計，90%電子行業的公眾號都介紹過3種串行通訊協議：UART、SPI和I2C。這3種串行協議也是電子開發行業最常用的協議。前面介紹了串口通訊協議及其FPGA實現，SPI協議。本篇文章介紹I2C通訊協議及其FPGA實測波形。
1.I2C是什么
在消費電子，工業電子等領域，會使用各種類型的芯片，如微控制器，電源管理，顯示驅動，傳感器，存儲器，轉換器等，他們有着不同的功能，有時需要快速的進行數據的交互，為了使用最簡單的方式使這些芯片互聯互通，於是I2C誕生了，I2C(Inter－Integrated Circuit)是一種通用的總線協議。它是由Philips(飛利浦)公司，現NXP(恩智浦)半導體開發的一種簡單的雙向兩線制總線協議標准。
對於硬件設計人員來說，只需要2個管腳，極少的連接線和面積，就可以實現芯片間的通訊，對於軟件開發者來說，可以使用同一個I2C驅動庫，來實現實現不同器件的驅動，大大減少了軟件的開發時間。極低的工作電流，降低了系統的功耗，完善的應答機制大大增強通訊的可靠性。
2.5種速率
I2C協議可以工作在以下5種速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。
標准模式(Standard)：100kbps
快速模式(Fast)：400kbps
快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
高速模式(High-speed)：3.4Mbps
超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（單向傳輸）
【bps：bit/s，即SCL的頻率】
其中超快模式是單向數據傳輸，通常用於LED、LCD等不需要應答的器件，和正常的I2C操作時序類似，但是只進行寫數據，不需要考慮ACK應答信號。
在I2C協議的官方文檔NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章節分別進行介紹。
3.4種信號
I2C協議最基礎的幾種信號：起始、停止、應答和非應答信號。
起始信號
I2C協議規定，SCL處於高電平時，SDA由高到低變化，這種信號是起始信號。
停止信號
I2C協議規定，SCL處於高電平，SDA由低到高變化，這種信號是停止信號。
數據有效性
I2C協議對數據的采樣發生在SCL高電平期間，除了起始和停止信號，在數據傳輸期間，SCL為高電平時，SDA必須保持穩定，不允許改變，在SCL低電平時才可以進行變化。
應答信號****
I2C最大的一個特點就是有完善的應答機制，從機接收到主機的數據時，會回復一個應答信號來通知主機表示“我收到了”。
應答信號出現在1個字節傳輸完成之后，即第9個SCL時鍾周期內，此時主機需要釋放SDA總線，把總線控制權交給從機，由於上拉電阻的作用，此時總線為高電平，如果從機正確的收到了主機發來的數據，會把SDA拉低，表示應答響應。
使用MCU、FPGA等控制器實現時，需要在第9個SCL時鍾周期把SDA設置為高阻輸入狀態，如果讀取到SDA為低電平，則表示數據被成功接收到，可以進行下一步操作。
非應答信號
當第9個SCL時鍾周期時，SDA保持高電平，表示非應答信號。
非應答信號可能是主機產生也可能是從機產生，產生非應答信號的情況主要有以下幾種：
I2C總線上沒有主機所指定地址的從機設備
從機正在執行一些操作，處於忙狀態，還沒有准備好與主機通訊
主機發送的一些控制命令，從機不支持
主機接收從機數據時，主機產生非應答信號，通知從機數據傳輸結束，不要再發數據了
4.讀寫時序
向指定寄存器地址寫入指定數據操作時序：
從指定寄存器地址讀取數據操作時序：
注意，讀數據時有兩次起始信號。
5.7位和10位地址
大多數I2C器件支持7位地址模式，有一些器件還支持10位地址，而且兩種類型的器件可以連接在同一個I2C總線上，目前10位地址的器件還沒有被廣泛使用。
主機發送，從機接收。使用10位地址進行寫時序：
主機接收，從機發送。使用10位地址進行讀時序：
6.I2C保留字節
I2C讀寫時起始位之后的第一個字節，除了廠商指定的設備地址外，還有一些保留字節，主要有兩組0000 xxx和1111 xxx，保留字節的含義：
上述的10位地址模式，就是使用到了最后一種保留字節。
第一種廣播模式，可以通過寫入第二個字節06h來復位I2C總線上所有的從機器件。具體操作時序可以查看文檔NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6：3.1.12 Reserved addresses章節有詳細介紹。其中device ID控制字（1111 1xx1），可以讀取I2C器件內部的24位器件ID，通過對照NXP I2C協議器件列表可以查詢到器件所屬的廠商和型號。
設備ID與器件廠商對應表
7.FPGA實測I2C波形
FPGA實現UART、SPI、I2C等串行時序，最常用的實現方式就是狀態機大法，將各個步驟分解為各個狀態，然后根據不同的狀態去控制輸出或讀取輸入，細節方面需要考慮數據的對齊、建立和保持時間、一些異常情況時狀態的跳轉，不能進入死循環，或卡死在某一個狀態。
I2C控制狀態機狀態定義：
//general
S0_IDLE = 0,
S1_START1 = 1,
S2_CTRL_BYTE1 = 2,
S3_ACK1 = 3,
S4_ADDR = 4,
S5_ACK2 = 5,
//write: 0-1-2-3-4-5->6-7-13-14
S6W_DATA = 6,
S7W_ACK3 = 7,
//read: 0-1-2-3-4-5->8-9-10-11-12-13-14
S8R_START2 = 8,
S9R_CTRL_BYTE2 = 9,
S10R_ACK3 = 10,
S11R_DATA = 11,
S12R_NACK = 12,
//general
S13_STOP = 13,
S14_DONE = 14,
S15_ERR = 15;
注意SDA雙向端口的方向控制。
output eeprom_scl,
inout eeprom_sda,
localparam DIR_IN = 1'b0;
localparam DIR_OUT = !DIR_IN;
reg dir;
reg i2c_sda;
reg i2c_scl;
assign eeprom_scl = i2c_scl;
assign eeprom_sda = (dir == DIR_OUT) ? i2c_sda : 1'bz;
wire sda_in = eeprom_sda;
SDA應該在第9個SCL時鍾周期設置為輸入狀態：
下圖的波形是使用Xilinx FPGA對AT24C1024的驅動，使用片上邏輯分析儀ChipScope抓取的實際波形，AT24C1024B存儲空間為1024K Bit = 131072 Byte，存儲單元地址位寬為17位。
AT24C1024B寫時序：
AT24C1024B讀時序：
SPI和I2C的對比
I2C是半雙工，SPI是全雙工。
I2C支持多主多從模式，而SPI只能有一個主機。
從GPIO占用上來看，I2C占用更少的GPIO，更節省資源。
I2C有應答響應機制，數據可靠性更高，SPI沒有應答機制。
I2C速率不會太高，最高速率3.4Mbps，SPI可以達到很高的速率。
I2C通過器件地址來選擇從機，從機數量的增加不會導致GPIO的增加，而SPI通過CS選擇從機，每增加一個從機就要多占用一個GPIO。
SPI協議在SCLK邊沿進行數據采樣，I2C在SCL高電平期間進行數據采樣。
兩者大多都應用於板內器件短距離通訊。
官方標准文檔下載
目前網上比較詳細的介紹I2C文檔主要有以下3個：
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I2C官方標准文檔_UM10204
I2C的官方文檔是原飛利浦(Philips)半導體事業部，現恩智浦(NXP)半導體發布的UM10204文檔，全文共64頁，是目前最權威最詳細的I2C協議介紹文章，最新版本Rev. 6發布於20140404，UM10204_4 April 2014: I2C-bus specification and user manual_Rev.6 -
TI：理解I2C文檔_SLVA704
TI在2015年發布了一篇SLVA704文檔， 全文共8頁，精簡的概括了I2C協議的電氣特性，操作時序，讀寫時序等，比較適合I2C入門學習。 -
ZLG：I2C總線規范中文版
這篇文檔發布於2000年左右，是對飛利浦官方文檔UM10204_v2.1的翻譯。
I2C協議文檔只是最基礎的文檔，具體寄存器讀寫操作等操作，還是要結合所使用芯片的數據手冊來使用。