I2C總線協(xié)議分析

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

常見(jiàn)的硬件結(jié)構(gòu)圖（一個(gè)適配器，兩根線，若干設(shè)備而已）

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

主設(shè)備如何發(fā)起開(kāi)始和停止通信信號(hào)？

在SCL線為高電平時(shí)，將SDA線由高拉低，即發(fā)出一個(gè)start開(kāi)始信號(hào)；當(dāng)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(hào)；那么這些操作都是由主設(shè)備的I2C控制器完成的。

I2C總線上有很多的設(shè)備，如何保證一對(duì)一的通信？

在I2C總線上的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)7bit位的地址，在I2C總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，如果有主設(shè)備想發(fā)起通信，那么將由它先發(fā)出一個(gè)start信號(hào)占有總線，緊接著發(fā)送這個(gè)主設(shè)備想要進(jìn)行通信的從設(shè)備的7bit位的地址，這個(gè)地址在I2C總線上處于廣播狀態(tài)，即總線上的所有設(shè)備都能看到這個(gè)地址，如果某一個(gè)從設(shè)備發(fā)現(xiàn)總線上傳輸?shù)牡刂泛妥约旱脑O(shè)備地址一樣，那么就發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，這時(shí)主從設(shè)備間的通信就建立了，這個(gè)時(shí)候I2C總線將處于busy狀態(tài)，其他的設(shè)備無(wú)法再使用總線，從而在總線上建立了一個(gè)一對(duì)一的通信。當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，由主設(shè)備發(fā)送一個(gè)stop信號(hào)，釋放總線，其他的設(shè)備就可以再次占用總線通信了。

I2C上的主從設(shè)備如何通信？

在I2C總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是8bit位為單位的，所以當(dāng)主機(jī)要往從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)序如下：

1. 發(fā)送start信號(hào)

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(jī)收到地址后，發(fā)送ACK應(yīng)答信號(hào)

4. 主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)送要寫(xiě)的8位數(shù)據(jù)

5. 若從機(jī)收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送ACK應(yīng)答信號(hào)

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

當(dāng)主機(jī)要從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)序如下：

1. 發(fā)送start信號(hào)

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(jī)收到地址后，發(fā)送ACK應(yīng)答信號(hào)

4. 主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后等待接收從機(jī)的數(shù)據(jù)

5. 從機(jī)發(fā)送主機(jī)要讀取的數(shù)據(jù)

6. 若主機(jī)收到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送ACK應(yīng)答信號(hào)

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

那么在具體的使用場(chǎng)景中是什么樣子呢？從機(jī)設(shè)備內(nèi)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(shè)備的實(shí)例進(jìn)行分析：

主機(jī)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(shù)據(jù)也是8位的）

1. 主機(jī)發(fā)送完7位的從機(jī)地址和寫(xiě)位

2. 主機(jī)發(fā)送8位的要寫(xiě)的從機(jī)的內(nèi)部寄存器地址

3. 從機(jī)收到后發(fā)送ACK

4. 主機(jī)收到ACK后，然后發(fā)送要往這個(gè)寄存器寫(xiě)的數(shù)據(jù)

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

主機(jī)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(shù)據(jù)也是8位的）

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

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

3. 從機(jī)收到后發(fā)送ACK

4. 主機(jī)收到ACK后發(fā)送7位的從機(jī)地址和讀位，然后等待接收數(shù)據(jù)

5. 主機(jī)收到ACK和從機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)

6. 如果主機(jī)不讀了就發(fā)送stop，如果繼續(xù)讀就回到步驟5（從機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)送連續(xù)寄存器的數(shù)據(jù)）

常用debug手段

在實(shí)際項(xiàng)目中，通常會(huì)出現(xiàn)讀不到數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序：

SDA的數(shù)據(jù)在SCL位高電平時(shí)保持穩(wěn)定，在SCL為低電平時(shí)數(shù)據(jù)改變，所以我們應(yīng)該在時(shí)鐘周期的高電平期間讀取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

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