I2C总线协议详解

1.1 I2C总线知识

1.1.1  I2C总线物理拓扑结构
 
    I2C 总线在物理链接上很是简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通讯原理是经过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来 产生I2C总线协议所须要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线通常被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

1.1.2  I2C总线特征
    I2C总线上的每个设备均可以做为主设备或者从设备，并且每个设备都会对应一个惟一的地址(能够从I2C器件的数据手册得知)，主从设备之间就经过这 个地址来肯定与哪一个器件进行通讯，在一般的应用中，咱们把CPU带I2C总线接口的模块做为主设备，把挂接在总线上的其余设备都做为从设备。
    I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，若是所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。
    I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。通常经过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
    I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

1.1.3  I2C总线协议
    I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号做为开始条件，以一个结束信号做为传输的中止条件。起始和结束信号老是由主设备产生。总线在空闲状态 时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个 中止条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其余I2C器件没法访问总线；而在中止条件产生后，本次数据传输的主从设备 将释放总线，总线再次处于空闲状态。如图所示：

    在了解起始条件和中止条件后，咱们再来看看在这个过程中数据的传输是如何进行的。前面咱们已经提到过，数据传输以字节为单位。主设备在SCL线上产生每一个 时钟脉冲的过程当中将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位， 此时才认为一个字节真正的被传输完成。固然，并非全部的字节传输都必须有一个应答位，好比：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否 定应答位。数据传输的过程如图所示：
 
    在前面咱们还提到过，I2C总线上的每个设备都对应一个惟一的地址，主从设备之间的数据传输是创建在地址的基础上，也就是说，主设备在传输有效数据以前 要先指定从设备的地址，地址指定的过程和上面数据传输的过程同样，只不过大多数从设备的地址是7位的，而后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来 数据传输的方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据。如图所示：
 
1.1.4  I2C总线操做
    对I2C总线的操做实际就是主从设备之间的读写操做。大体可分为如下三种操做状况：
    第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式以下：
    

    第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式以下：
    

    第三，主设备往从设备中写数据，而后重启起始条件，紧接着从从设备中读取数据；或者是主设备从从设备中读数据，而后重启起始条件，紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式以下：

    第三种操做在单个主设备系统中，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。