I2C通信基礎知識：硬件、數據傳輸、配置

I2C通信是內部集成電路的簡稱，它是飛利浦半導體開發的一種通信協議，用于在中央處理器和同一電路板上的多個IC之間僅使用兩條公共電線傳輸數據。

由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器和傳感器陣列、顯示器、物聯網設備、EEPROM等之間的通信。

這是一種同步串行通信協議。這意味著數據位以參考時鐘線設置的規則時間間隔一個一個地傳輸。

一、I2C的特征

以下是I2C通信協議的一些重要特性：

（1）只需要兩條公共總線（線）即可控制I2C網絡上的任何設備/IC；
（2）無需像UART通信那樣事先約定數據傳輸速率。因此可以根據需要隨時調整數據傳輸速度；
（3）用于驗證傳輸數據的簡單機制；
（4）使用7位尋址系統來定位I2C總線上的特定設備/IC；
（5）I2C網絡易于擴展，新設備可以簡單地連接到兩條公共I2C總線上。

二、I2C的硬件

1、物理I2C總線

I2C總線（接口線）僅由兩條線組成，稱為串行時鐘線(SCL)和串行數據線(SDA)。要傳輸的數據通過SDA線發送，并與來自SCL的時鐘信號同步。I2C網絡上的所有設備/IC都連接到相同的SCL和SDA線，如下所示：

兩條I2C總線（SDA、SCL）都用作開漏驅動器。這意味著I2C網絡上的任何設備/IC都可以將SDA和SCL驅動為低電平，但不能將它們驅動為高電平。因此，每條總線都使用一個上拉電阻，默認情況下將它們保持在高電平（正電壓）。

使用開漏系統的原因是沒有短路的可能性，當一個設備試圖將線路拉高而其他設備試圖將線路拉低時，可能會發生短路。

二、主從設備

連接到I2C總線的設備分為主設備或從設備。在任何時刻，只有一個主設備在I2C總線上保持活動狀態。它控制SCL時鐘線并決定要在SDA數據線上進行什么操作。

響應來自該主設備的指令的所有設備都是從設備。為了區分連接到同一I2C總線的多個從設備，每個從設備在物理上都分配了一個永久的7位地址。

當主設備想要向從設備傳輸數據或從從設備傳輸數據時，它會在SDA線上指定這個特定的從設備地址，然后繼續傳輸。因此，有效的通信發生在主設備和特定從設備之間。

所有其他從設備都不會響應，除非它們的地址由SDA線上的主設備指定。

三、數據傳輸協議

主設備和從設備遵循以下協議（規則集）以在它們之間傳輸數據。

數據通過單個SDA數據線在主設備和從設備之間傳輸，通過0和1（位）的模式序列。每個0和1序列稱為一個事務，每個事務中的數據結構如下：

1、開始條件

每當主設備/IC決定開始一個事務時，它會在SCL線從高電平切換到低電平之前將SDA線從高電壓電平切換到低電壓電平。

一旦主設備發送啟動條件，所有從設備即使處于睡眠模式也會激活，并等待地址位。

2、地址塊

它由7位組成，并填充主設備需要發送/接收數據的從設備地址。I2C總線上的所有從設備將這些地址位與其地址進行比較。

3、讀/寫位

該位指定數據傳輸的方向。如果主設備/IC需要向從設備發送數據，則該位設置為“0”。如果主IC需要從從設備接收數據，則將其設置為“1”。

4、ACK/NACK位

它代表已確認/未確認位。如果任何從設備的物理地址與主設備廣播的地址一致，則該位的值由從設備設置為“0”。否則它保持邏輯“1”（默認）。

5、數據塊

它由8位組成，它們由發送方設置，需要傳輸到接收方的數據位。該塊后跟一個ACK??/NACK位，如果接收器成功接收到數據，則接收器將其設置為“0”。否則它保持邏輯'1'。

這種數據塊后跟ACK/NACK位的組合被重復，直到數據完全傳輸。

6、停止條件

在通過SDA線傳輸所需的數據塊后，主設備先將SDA線從低電平切換到高電平，然后再將SCL線從高電平切換到低電平。

注意：邏輯“0”或設置一個位為“0”相當于在SDA線上施加低電壓，反之亦然。

四、I2C通信實際如何工作？

I2C通信/事務由主設備發起，以向從設備發送數據或從其接收數據。讓我們詳細了解這兩種場景的工作原理。

1、向從設備發送數據

當主設備嘗試通過I2C總線向特定從設備發送數據時，會發生以下操作序列：

（1）主設備發送啟動條件；
（2）主設備發送與目標從設備對應的7個地址位；
（3）主設備將讀/寫位設置為“0”，表示寫；
（4）現在有兩種可能：如果沒有從設備與主設備發送的地址匹配，則下一個ACK??/NACK位保持為“1”（默認）。這向主設備發出信號，表明從設備識別不成功。主時鐘將通過發送停止條件或新的啟動條件來結束當前事務。如果存在與主設備指定地址相同的從設備，則從設備會將ACK/NACK位設置為“0”，這會向主設備發出信號，表明從設備已成功定位。
（5）如果從設備成功定位，則主設備現在發送8位數據，這些數據僅由目標從設備考慮和接收。該數據對剩余的從設備沒有任何意義。
（6）如果數據被從設備成功接收，它會將ACK/NACK位設置為“0”，這表示主設備繼續。
（7）重復前兩步，直到數據全部傳輸完畢。
（8）在所有數據發送到從設備后，主設備發送停止條件，通知所有從設備當前事務已結束。

下圖表示在SDA線上發送的總體數據位以及控制每個位的設備：

2、從從設備讀取數據

除了以下內容外，操作順序與之前的場景相同：

（1）主設備將讀/寫位設置為“1”而不是“0”，這向目標從設備發出信號，表明主設備正在等待來自它的數據；
（2）數據塊對應的8位由從設備發送，ACK/NACK位由主設備設置；
（3）一旦主設備接收到所需的數據，它就會發送一個NACK位。然后從設備停止發送數據并釋放SDA線。

如果主設備從從設備的特定內部位置讀取數據，它首先使用前面場景中的步驟將位置數據發送到從設備。然后它以重復的開始條件開始讀取數據的過程。

下圖表示在SDA線上發送的總體數據位以及控制每個位的設備：

3、時鐘拉伸的概念

假設主設備啟動了一個事務并發送特定從設備的地址位，然后是“1”的讀取位。特定的從設備需要發送一個ACK??位，緊接著是數據。

但是如果從設備需要一些時間來獲取和發送數據到主設備，在這個間隙期間，主設備會認為從設備正在發送一些數據。

為了防止這種情況，從設備將SCL時鐘線保持為低電平，直到它準備好傳輸數據位。通過這樣做，從設備向主設備發送信號以等待數據位，直到時鐘線被釋放。

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