I2C通信的詳細講解

1. 物理接口： SCL + SDA

（1）SCL（serial clock）:時鐘線，傳輸CLK信號，一般是I2C主設(shè)備向從設(shè)備提供時鐘的通道。

（2）SDA（serial data）：數(shù)據(jù)線，通信數(shù)據(jù)都通過SDA線傳輸

2. 通信特征：串行、同步、非差分、低速率

（1）I2C屬于串行通信，所有的數(shù)據(jù)以位為單位在SDA線上串行傳輸。

（2）同步通信就是通信雙方工作在同一個時鐘下，一般 通信的A方通過一根CLK信號線傳輸A自己的時鐘給B，B工作在A傳輸?shù)臅r鐘下。所以同步通信的顯著特征就是：通信線中有CLK。

（3）非差分。因為I2C通信速率不高，而且通信雙方距離很近，對干擾不敏感，所以使用電平信號通信。

（4）低速率。I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通信，而且用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以本身通信速率很低（一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體在編程的時候要看自己所使用的設(shè)備允許的I2C通信最高速率，不能超過這個速率）

3. 突出特征1：主設(shè)備+從設(shè)備

（1）I2C通信的時候，通信雙方地位是不對等的，而是分主設(shè)備和從設(shè)備。通信由主設(shè)備發(fā)起，由主設(shè)備主導(dǎo)，從設(shè)備只是按照I2C協(xié)議被動的接受主設(shè)備的通信，并及時響應(yīng)。

（2）誰是主設(shè)備、誰是從設(shè)備是由通信雙方來定的（I2C協(xié)議并無規(guī)定），一般來說一個芯片可以只能做主設(shè)備、也可以只能做從設(shè)備、也可以既能當主設(shè)備又能當從設(shè)備。（像一些傳感器芯片設(shè)計的時候只能做從設(shè)備，有的芯片本身既可以當主設(shè)備又可以當從設(shè)備，通過軟件來配置是主設(shè)備還是從設(shè)備）

4. 突出特征2：

（1）I2C通信可以一對一（一個主設(shè)備對1個從設(shè)備），也可以一對多（一個主設(shè)備對多個從設(shè)備）

（2）主設(shè)備負責(zé)調(diào)度總線，決定某一時間和哪個從設(shè)備通信。注意：同一時間內(nèi)，I2C的總線上只能傳輸一對設(shè)備的通信信息，所以同一時間只能有一個從設(shè)備和主設(shè)備通信，其他從設(shè)備處于“冬眠”。不能出來搗亂，否則通信就亂套了。

（3）每一個I2C從設(shè)備在通信中都有一個I2C從設(shè)備地址，這個設(shè)備地址是從設(shè)備本身固有的屬性，然后通信時主設(shè)備需要知道自己將要通信的那個從設(shè)備的地址，然后在通信中通過地址來甄別是不是自己要找的那個從設(shè)備。

5. I2C的通信時序

（1）什么是時序？

字面意思，時序就是時間順序，實際上在通信中時序就是通信線上按照時間順序發(fā)生的電平變化，以及這些變化對通信的意義就叫時序。

（2）I2C的總線空心狀態(tài)、起始位、結(jié)束位

總線的意思就是SCL與SDA加起來就叫做總線。

I2C總線上有1個主設(shè)備，n(n>=1)個從設(shè)備。I2C總線上有2種狀態(tài)：空閑態(tài)（所有從設(shè)備都未和主設(shè)備通信，此時總線空閑）和忙態(tài)（其中一個從設(shè)備在和主設(shè)備通信，此時總線被這一對占用，其他從設(shè)備必須歇著）。

怎么區(qū)分總線處于空閑態(tài)，SDA、SCL在通信的過程中也可能同時為高電平，但是，如果SDA、SCL如果連續(xù)多個周期同時處于高電平，則總線一定處于空閑態(tài)。

整個通信分為一個周期一個周期的，兩個相鄰的通信周期是空閑態(tài)。每一個通信周期由一個起始位開始，一個結(jié)束位結(jié)束，中間是本周期的通信數(shù)據(jù)。

起始位：起始位說的不是一個時間點，而是一個時間段，如上圖的t1到t2這個時間段，在t1到t2的這個時間段內(nèi)，SCL一直保持了高電平，SDA由高電平到低電平跳變（下降沿）。接收方在接收到這樣一個電平變化之后就知道發(fā)送方要開始發(fā)送數(shù)據(jù)了，緊接著下一個周期就是數(shù)據(jù)，

停止位：與起始位相似，結(jié)束位也是一個時間段。在這段時間內(nèi)總線狀態(tài)變化情況是：SCL先維持高電平，同時SDA線發(fā)生一個從低電平到高的上升沿。

起始位和停止位中間的就是通信位。

CLK上升沿鎖存數(shù)據(jù)，CLK上升沿到來前SDA要提前準備好數(shù)據(jù)。

A是應(yīng)答信號，從設(shè)備的應(yīng)答是為了讓主設(shè)備知道自己已經(jīng)接收到了主設(shè)備的信息。相應(yīng)的主設(shè)備的應(yīng)答也是如此。

6. I2C數(shù)據(jù)傳輸格式（數(shù)據(jù)位&ACK）

（1）每一個通信周期的發(fā)起和結(jié)束都是由主設(shè)備來做的，從設(shè)備只有被動的響應(yīng)主設(shè)備，沒法自己自發(fā)的去做任何事情。

（2）主設(shè)備在通信周期會先發(fā)8位的從設(shè)備地址（其實8位中只有7位是從設(shè)備地址，還有1位表示主設(shè)備下面要寫入還是讀出）到總線（主設(shè)備是以廣播的形式發(fā)送的，只要是總線上的所有從設(shè)備其實都能收到這個信息）。然后總線上的每個從設(shè)備都能收到這個地址，并且收到地址后和自己的設(shè)備地址比較看是否相等。如果相等說明主設(shè)備本次通信 就和給我說話，如果不相等說明這次通信與我無關(guān)，不用聽了不管了。

（3）發(fā)送方發(fā)送一段數(shù)據(jù)后，接收方需要回應(yīng)一個ACK。這個響應(yīng)本身只有1個bit位，不能攜帶有效信息，只能表示2個意思（要么表示收到數(shù)據(jù)，即有效響應(yīng)；要么表示未收到數(shù)據(jù)，無效響應(yīng)），需要注意的是，到第九個周期的時候，主設(shè)備會釋放SDA，即讓其變?yōu)楦唠娖?，從設(shè)備會主動來拉低SDA，主設(shè)備會讀取此時的SDA，若讀取此時的SDA為則表示從設(shè)備已經(jīng)收到剛剛發(fā)送的信息，若讀取此時的SDA為則表示從設(shè)備沒有收到剛剛發(fā)送的信息。

（4）在某一個通信時刻，主設(shè)備和從設(shè)備只能有一個在發(fā)（占用總線，也就是向總線寫），另一個在收（從總線讀）。如果在某個時間主設(shè)備和從設(shè)備都試圖向總線寫那就完蛋了，通信就亂套了。

7. 數(shù)據(jù)在總線上的傳輸協(xié)議

（1）I2C通信時的基本數(shù)據(jù)單位也是以字節(jié)為單位的，每次傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)都是1個字節(jié)（8位）。

（2）起始位及其后的8個clk中都是主設(shè)備在發(fā)送（主設(shè)備掌控總線），此時從設(shè)備只能讀取總線，通過讀總線來得知主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的信息；然后到了第9個周期，按照協(xié)議規(guī)定從設(shè)備需要發(fā)送ACK給主設(shè)備，所以此時主設(shè)備必須釋放總線（主設(shè)備把總線置為高電平然后不要動，其實就類似于總線空閑狀態(tài)），同時從設(shè)備試圖拉低總線發(fā)出ACK。如果從設(shè)備拉低總線失敗，或者從設(shè)備根本就沒有拉低總線，則主設(shè)備看到的現(xiàn)象就是總線在第9周期仍然一直保持高，這對主設(shè)備來說，意味著我沒有收到ACK，主設(shè)備就認為剛才給從設(shè)備發(fā)送的8字節(jié)不對（接收失?。?。

（3）由于I2C的速率很低，完全可以通gpio來模擬。

8. I2C控制器

通信雙方本質(zhì)上是通過時序在工作，但是時序會比較復(fù)雜不利于Soc軟件完成，于是乎解決方案是soc內(nèi)部內(nèi)置了硬件的控制器來產(chǎn)生通信時序。這樣我們寫軟件時只需要向控制器的寄存器中寫入配置值即可，控制器會產(chǎn)生適當?shù)臅r序在通信線上和對方通信。

（1）時鐘部分，時鐘來源是PCLK_PSYS，經(jīng)過內(nèi)部分頻最終得到I2C控制器的CLK，通信中這個CLK會通過SCL線傳給從設(shè)備。

（2）I2C總線控制邏輯（前臺代表是I2CCON、I2CSTAT這兩個寄存器），主要負責(zé)產(chǎn)生I2C通信時序。實際編程中要發(fā)送起始位、停止位、接收ACK等都是通過這兩個寄存器（背后所代表的電路模塊）實現(xiàn)的。

（3）移位寄存器（shift register）,將代碼中要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)，通過移位寄存器變成1個位一個位的丟給SDA線上去發(fā)送/接收。

（4）地址寄存器+比較器 本I2C控制器做從設(shè)備的時候用。

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編輯：ymf