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简介
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)，是一种比较简单的同步串行协议。因其所需引脚少、硬件实现简单、扩展性强，现在广泛用于系统内多个集成电路（IC）间的通讯。
目录
- 物理层
- 协议层
- 传输过程
- 原子操作
按照学习通讯协议的套路，以下分别讨论I2C的物理层和协议层。
物理层
上图中我们可以看到：
- 它只有一条数据线
- 总线上连接着多个从机（甚至是多个主机）
那么以掌握的简单通信知识经验来看，我们可以得出以下初步结论：
-
如果主机和从机间可以交互，那么这必然是一个半双工的协议
-
一条数据线连接着多个设备，可能存在多个设备访问总线产生数据冲突问题
-
每个设备必然有一个独立地址
带着以上的初步认识去看协议具体内容，我们可以很快的接受并记住I2C的物理层特性。
物理层特性
- 它是一个支持设备的总线。可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机、从机。
- 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址。
- 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空 闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平
- 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
- 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s。
- 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。
协议层
协议层定义了：
- 起始和停止信号
- 数据有效性
- 响应
- 仲裁
- 时钟同步和广播地址
说白的就是定义了在传输过程中01串的意义。
传输过程
我把起始和停止信号、响应信号等基本最基础的操作，称为原子操作。
在讨论原子操作具体如何实现前，让我们先对I2C的传输过程有个整体认识。
大致上，I2C的传输过程有这么三种情况：写、读、读写混合
写过程
由上图可知，整个写过程由以下部分组成：
- 发送起始信号
- 从机地址
- 传输模式——写模式
- 应答信号（表示从机接收到信号stanby了）
- 主机发送n字节数据
- 应答or非应答信号
- 若是非应答or主机不想收，则主机发送停止信号
这是个很严谨的过程，每发送一个具体都需要等待对方的应答，只有确定接收端收到之后，才会继续发送数据。在最大程度上保证了数据传输的可靠性。
值得注意的是，这里的从机地址协议规定了可以选7位或10位，不过绝大多数情况下都是使用7位地址。
读过程
整个读过程由以下部分组成：
- 发送起始信号
- 从机地址
- 传输模式——读模式
- 应答信号（表示从机接收到信号stanby了）
- 主机发送n字节数据（单次发送8位）
- 应答or非应答信号
- 若是非应答则，主机发送停止信号
读写混合模式
读写混合过程相较于单独读、写模式来说，复杂了一丢丢。
它一次通讯有两次操作过程：
- 第一次告诉目标从机的要读写的地址
- 第二次对目标读写地址进行实际操作
具体过程有以下部分：
- 起始信号
- 从机地址
- 传输模式——读模式
- 应答信号（表示从机接收到信号stanby了）
- 主机发送需要读取的目标地址
- 应答信号
- 二次起始信号
- 选择同样的从机
- 修改输出模式——写模式
- 应答信号
- 发送or读取n字节数据
- 应答信号
- 终止信号
据本人初步学习分析，之所以有三种模式，应该是对应于三种不同个需求：
- 只需要输出的，应该是诸如显示器一类
- 只需要读取的，应该是传感器的数据
- 像读写混合这样先定位准确的位置，再读写数据的，应该只能是存储器了
原子操作
以上传输过程相对来说，还比较宏观。下面我们看看I2C在是如何实现以上种种信号的。
以下实现皆为协议具体设计，是人为定位的，虽有一定内在设计逻辑在里面，但只需记住定义即可。
起始和停止信号
同时满足以下条件时，便是起始信号：
- SCL高电平
- SDA由高电平转低电平时，注意，是电平转换时！！！
同时满足以下条件时，便是终止信号：
- SCL高电平
- SDA由低电平转高电平
数据表示
也叫数据有效性，它具体定义了01数据的电平表示。
1的表示：
- SCL高电平
- 且SDA为高电平
0的表示：
- SCL高电平
- 且SDA为低电平
而当SCL为低电平时，SDA没有任何意义，这时候就是01表示切换的时机。
由以上定义可以看出，I2C一个时钟周期只能传输1位数据。
小结上面几点就是：SCL为高电平时，数据有效。
地址及数据方向
协议定义了地址为7位 or 10位，这个自己选，一般选7位。
原因很简单，单字节就是8位。地址位7位+方向位恰好是一个字节。
所以对应的也引申出了两种需要注意的地址叫法：
- 最高的7位数据——从机地址
- 整个8位数据——写地址/读地址
响应
接收端每次接受完一个字节信号后，都要向发送端发送一个应答（ACK）或者不应答（NACK）信号。
协议规定了这个信号在传输一个字节数据后的第9个时钟周期产生。
这时，若SDA为低电平，则表示应答信号，反之为非应答信号。
小结
有了以上对I2C协议的理解后。会发现，说白的xxx通讯协议，就是控制电平按照协议标准的方式在总线上变化。只要能实现协议规定的特征电平，就能实现该协议。所以无论是软件还是硬件都可以实现这个协议通信。区别在于，软件实现会消耗CPU资源，而硬件通信可以减少CPU的负担。
