I2C總線(xiàn)協(xié)議分析

I2C總線(xiàn)是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)。它只需要兩根線(xiàn)即可在連接于總線(xiàn)上的設備之間通信。I2C的兩根線(xiàn)SDA（串行數據線(xiàn)）和SCL（串行時(shí)鐘線(xiàn)）都是雙向I/O線(xiàn)，接口電路為開(kāi)漏輸出，需通過(guò)上拉電阻接電源VCC，當總線(xiàn)空閑時(shí)，兩根線(xiàn)都是高電平。

常見(jiàn)的硬件結構圖（一個(gè)適配器，兩根線(xiàn)，若干設備而已）

使用I2C通信時(shí)，必須指定主從設備，一般包含有I2C控制器的處理器被配置成主設備，掛接在i2c總線(xiàn)上的外設作為從設備。通信開(kāi)始都是由主設備發(fā)起的，在i2c總線(xiàn)上的每個(gè)設備都有一個(gè)7bit位的地址，稱(chēng)為i2c設備地址。

主設備如何發(fā)起開(kāi)始和停止通信信號？

在SCL線(xiàn)為高電平時(shí)，將SDA線(xiàn)由高拉低，即發(fā)出一個(gè)start開(kāi)始信號；當SCL為高電平時(shí)，將SDA由低拉高，即發(fā)送一個(gè)stop停止信號；那么這些操作都是由主設備的I2C控制器完成的。

I2C總線(xiàn)上有很多的設備，如何保證一對一的通信？

在I2C總線(xiàn)上的每個(gè)設備都有一個(gè)7bit位的地址，在I2C總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，如果有主設備想發(fā)起通信，那么將由它先發(fā)出一個(gè)start信號占有總線(xiàn)，緊接著(zhù)發(fā)送這個(gè)主設備想要進(jìn)行通信的從設備的7bit位的地址，這個(gè)地址在I2C總線(xiàn)上處于廣播狀態(tài)，即總線(xiàn)上的所有設備都能看到這個(gè)地址，如果某一個(gè)從設備發(fā)現總線(xiàn)上傳輸的地址和自己的設備地址一樣，那么就發(fā)送一個(gè)應答信號，這時(shí)主從設備間的通信就建立了，這個(gè)時(shí)候I2C總線(xiàn)將處于busy狀態(tài)，其他的設備無(wú)法再使用總線(xiàn)，從而在總線(xiàn)上建立了一個(gè)一對一的通信。當通信結束時(shí)，由主設備發(fā)送一個(gè)stop信號，釋放總線(xiàn)，其他的設備就可以再次占用總線(xiàn)通信了。

I2C上的主從設備如何通信？

在I2C總線(xiàn)上傳輸的數據都是8bit位為單位的，所以當主機要往從機寫(xiě)數據時(shí)時(shí)序如下：

1. 發(fā)送start信號

2. 發(fā)送7位地址+1個(gè)讀寫(xiě)位0（0表示寫(xiě)，1表示讀）

3. 從機收到地址后，發(fā)送ACK應答信號

4. 主機收到應答信號后發(fā)送要寫(xiě)的8位數據

5. 若從機收到主機發(fā)送的數據，發(fā)送ACK應答信號

6. 如果主機要繼續寫(xiě)，那么回到步驟4，如果寫(xiě)完了那么發(fā)送stop信號，終止通信

當主機要從從機讀取數據時(shí)時(shí)序如下：

1. 發(fā)送start信號

2. 發(fā)送7位地址+1個(gè)讀寫(xiě)位1（0表示寫(xiě)，1表示讀）

3. 從機收到地址后，發(fā)送ACK應答信號

4. 主機收到應答信號后等待接收從機的數據

5. 從機發(fā)送主機要讀取的數據

6. 若主機收到從機發(fā)送的數據，發(fā)送ACK應答信號

7. 如果主機要繼續讀，那么回到步驟4，如果讀完了那么發(fā)送stop信號，終止通信

那么在具體的使用場(chǎng)景中是什么樣子呢？從機設備內部往往有很多寄存器，如何讀寫(xiě)這些寄存器呢？以RPR0521這個(gè)sensor作為從設備的實(shí)例進(jìn)行分析：

主機寫(xiě)RPR0521中某個(gè)寄存器（寄存器的地址是8位的，寄存器中數據也是8位的）

1. 主機發(fā)送完7位的從機地址和寫(xiě)位

2. 主機發(fā)送8位的要寫(xiě)的從機的內部寄存器地址

3. 從機收到后發(fā)送ACK

4. 主機收到ACK后，然后發(fā)送要往這個(gè)寄存器寫(xiě)的數據

5. 如果主機不繼續寫(xiě)數據就直接發(fā)送stop，如果還要往下一個(gè)寄存器繼續寫(xiě)（寄存器地址必須連續）那么回到步驟4發(fā)送下一個(gè)數據，直到寫(xiě)完發(fā)送stop

主機讀RPR0521中某個(gè)寄存器的值（寄存器的地址是8位的，寄存器中數據也是8位的）

1. 主機發(fā)送完7位的從機地址和寫(xiě)位（一定要注意，先寫(xiě)然后讀）

2. 主機發(fā)送8位的要讀的從機的內部寄存器地址（用于確定要讀的寄存器的地址）

3. 從機收到后發(fā)送ACK

4. 主機收到ACK后發(fā)送7位的從機地址和讀位，然后等待接收數據

5. 主機收到ACK和從機發(fā)送過(guò)來(lái)的數據

6. 如果主機不讀了就發(fā)送stop，如果繼續讀就回到步驟5（從機會(huì )自動(dòng)發(fā)送連續寄存器的數據）

常用debug手段

在實(shí)際項目中，通常會(huì )出現讀不到數據，那么我們就需要debug，最常見(jiàn)的debug手段就是使用示波器抓時(shí)序，下圖是I2C數據傳輸的時(shí)序：

SDA的數據在SCL位高電平時(shí)保持穩定，在SCL為低電平時(shí)數據改變，所以我們應該在時(shí)鐘周期的高電平期間讀取有效數據進(jìn)行分析。

以上是我總結的I2C總線(xiàn)的基本協(xié)議，如有不足歡迎指出，謝謝閱讀！