通信协议 | 02 - I2C通信原理（通俗易懂+图文并茂）

Posted 2021-08-07 Neutionwei

一、I2C协议

I2C 也叫 IIC（Inter－Integrated Circuit）总线，是一种由PHILIPS公司在80年代开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是半双工通信方式。

我们首先阅读以下这个例子，这会方便后面大家进一步理解I2C协议：

如图所示，老师（MCU）将球（数据）传给众多学生中的一个（众多外设设备中的一个）。

首先老师将球踢给某学生，即主机发送数据给从机，步骤如下：

① 老师：开始了(start)；
② 老师：A！我要发球给你！(地址/方向)；
③ 学生A：到！(回应)；
④ 老师把球发出去（传输）；
⑤ A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）；
⑥ 老师：结束（停止）；

接着老师让学生把球传给自己，即从机发送数据给主机，步骤如下：

① 老师：开始了(start)；
② 老师：B！把球发给我！(地址/方向)；
③ 学生B：到！
④ B把球发给老师（传输）；
⑤ 老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）；
⑥ 老师：结束（停止）。

从上面的例子可知，都是老师（主机）主导传球，按照规范的流程（通信协议），以保证传球的准确性，
收发球的流程总结如下：
① 老师说开始了，表示开始信号(start)；
② 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)；
③ 该学生回应老师(ack)；
④ 老师发球/接球，表示数据的传输；
⑤ 收到球要回应：回应信号(ACK)；
⑥ 老师说结束，表示IIC传输结束。

以上就是I2C的传输协议，如果是使用IO口来模拟I2C协议，那么就得需要依次实现上述每个步骤。

二、I2C物理层

这里提个小问题，什么是物理层？

我们可以以分层的思想来理解，例如对于通信协议，我们可以把它分为物理层和协议层。

物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。

协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。

简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

I2C通信设备物理层如图所示：


I2C通信设备物理层的特点如下：

① I2C 是一个支持设备的总线。总线指多个设备共用的信号线。在一个I2C 通讯总线中，可连接多个I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

② 一个I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

③ 每个连接到总线的设备都有一个独立地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

④ 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

⑤ 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

⑥ 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C 设备尚不支持高速模式。

⑦ 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

三、I2C协议层

I2C 的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

1、写操作

刚开始主机要发出一个start信号，然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个从机写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)。

回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据，传输数据之后，要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

每传输一个数据，接受方都会有一个回应信号，数据发送完之后，主机就会发送一个P停止信号。

• 白色背景：主→从
• 灰色背景：从→主

2、读操作

刚开始主机要发出一个start信号，然后发出一个设备地址(用来确定是从哪一个芯片读取数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)。

回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据，传输数据之后，要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后在传输下一个数据。

每传输一个数据，接受方都会有一个回应信号，数据发送完之后，主机就会发送一个P停止结束信号。

• 白色背景：主→从
• 灰色背景：从→主

3、起始信号与停止信号

起始信号S和停止信号P是两种特殊的状态。

当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通信的起始。

当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通信的停止。

起始和停止信号一般由主机产生。

4、设备地址与数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通信时，通过SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。

I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。

紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W)，第 8 位或第 11 位。

数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。

注意：读数据方向时，主机会释放对SDA 信号线的控制，由从机控制SDA 信号线，主机接收信号；写数据方向时，SDA 由主机控制，从机接收信号。

5、数据有效性

I2C 使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL 信号线进行数据同步。

SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。

换言之，SCL为高电平时表示有效数据，SDA为高电平表示“1”，低电平表示“0”；SCL为低电平时表示无效数据，此时SDA会进行电平切换，为下次数据表示做准备。

6、应答信号

I2C 的数据和地址传输都带响应。

响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

I2C每次传输的8位数据，每次传输后需要从机反馈一个应答位，以确认从机是否正常接收了数据。

当主机发送了8位数据后，会再产生一个时钟，此时主机放开SDA的控制，读取SDA电平，在上拉电阻的影响下，此时SDA默认为高，必须从机拉低，以确认收到数据。

作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

7、传输时序图

从图中可以看出：

① SDA和SCL开始都为高电平，然后主机将SDA拉低，表示开始信号.

② 在接下来的8个时间周期里，主机控制SDA的高低，发送从机地址。其中第8位如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输数据给从机；如果为1，表示接下来是读操作，即从机传输数据给主机；另外，数据传输是从最高位到最低位，因此传输方式为MSB（Most Significant Bit）。

③ 总线中对应从机地址的设备，发出应答信号。

④ 在接下来的8个时间周期里，如果是写操作，则主机控制SDA的高低；如果是读操作，则从机控制SDA的高低。

⑤ 每次传输完成，接收数据的设备，都发出应答信号。

⑥ 最后，在SCL为高电平时，主机由低拉高SDA，表示停止信号，整个传输结束。

8、一些疑问

问题一：如何在SDA上实现双向传输？

答：主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备，也可以从SDA上读取数据，连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。

问题二：主设备(从设备)发送数据时，从设备(主设备)的发送引脚，不影响数据的发送，怎么做到呢？

答：里面放一个三极管，使用开极(极电集开发出去作为输出)电路，如下图

下面画一个真值表:

从真值表和电路图我们可以知道，当某一个芯片不行影响SDA线时，那就不驱动这个三极管。

• 想输出高电平时；都不驱动(高电平就由上拉电阻决定)。
• 想输出低电平，就驱动三极管。

从下面的例子可以看看数据是怎么传的（实现双向传输），比如主设备发送（8bit）给从设备：
① 前8个clk，由主设备决定数据：从设备不驱动三极管；主设备决定数据；
② 第9个clk，由从设备决定数据：主设备不驱动三极管；从设备决定数据；

从上面的例子，就可以知道，怎样在一条线上实现，双向传输的办法。
这就是为什么在SDA,SCL上放上拉电阻的原因。

在第9个时钟之后，如果有某一方处于繁忙状态，它可以一直把SCL拉低当SCL为低电平时候，大家都不应该使用IIC总线，只有当SCL从低电平变为高电平的时候，IIC总线才能被使用。

从前图我们也可以知道ACK信号应该是低电平。主设备不驱动三极管，如果从设备不驱动三极端的化SDA应该是高电平，当从设备接收数据之后，发出回应信号的时候，就会驱动三极管，让SDA变为低电平。所以说：ACK信号是低电平。

对于IIC协议它只能规定怎么传输数据，数据什么含义它完全不能够控制，数据的含义有从设备决定。

四、E2PROM存储器（AT24Cxx）

E2PROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。

1、与Flash的异同

① E2PROM和Flash的本质上是一样的，Flash包括MCU内部的Flash和外部扩展的Flash。

② 从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而E2PROM存放用户数据，可能会反复修改。

③ 从结构上，Flash按扇区操作，E2PROM通常按字节操作。

2、结构原理

E2PROM存储器市面上各个品牌众多，但在学习中最经典就是AT24Cxx系列：

从命名上看，AT24Cxx中xx的单位是K Bit，如AT24C08，其存储容量为8K Bit。对于AT24C02，其存储容量为2K Bit，2*1024=2048Bit。

对于AT24C01/02，每页大小为8 Byte，对于AT24C04/08/16，每页大小为16 Byte。如图所示，AT24C02由32页（Page）组成，每一页由8个字节（Byte）组成，每个Byte由8位（Bit）组成，Bit为最小存储单位，存放1个0或1。

3、设备地址

I2C设备都会有一个设备地址，不同容量的AT24Cxx，设备地址定义会有所差异：

例如AT24C02的容量为2K，对应上图中的第一行，高四位固定为“1010”，中间三位由A2、A1、A0引脚的电平决定，比如A2~A0引脚全接地，则值为“000”，最后的最低位为读写位，0代表写命令，1代表读命令。

A2、A1、A0引脚电平需要由原理图决定，假设全接电源地，则如果需要向AT24C02写数据，则发送地址“1010 0000”，如果需要向AT24C02读数据，则发送地址“1010 0001”。

假设开发板有多个AT24C02挂在同一I2C总线上，通过这个规则，只需设计电路时，让A2、A1、A0引脚电平不同，即可区分两个AT24C02。

对于容量再大一点的AT24Cxx系列，比如AT24C04，器件地址由A2、A1引脚决定，数据空间有P0决定。比如对AT24C04的0-2K空间操作，则P0为0，对2K-4K空间操作，则P0为1。

4、写操作

AT24Cxx支持字节写模式和页写模式。

字节写模式是一个地址一个数据的写；页写模式是连续写数据，一个地址多个数据的写，但是页写模式不能自动跨页，如果超出一页长度，超出的数据会覆盖原先写入的数据。

如图所示，为AT24Cxx字节写模式的时序，在MCU发出开始信号（Start）后，发出8 Bit的设备地址信息（图中读写位为低电平，即写数据），待收到AT24Cxx应答信号后，再发出要写的数据地址，再次等待AT24Cxx应答，最后发出8 Bit数据写数据，待AT24Cxx应答后，发出停止信号（Stop），完成一次单字节写数据。

AT24C02容量为2K，因此数据地址范围为0x00-0xFF，即0-255，每个数据地址每次写1Byte，即8bit，也就刚好2568=2048Bit。对于1K容量的产品，数据地址范围为0x00-0x7F，最高位不会用到，因此图中数据地址的最高位为*，意思是对于1K容量的产品，该位无需关心。

上图为AT24Cxx的页写模式时序，与字节写模式的差异在于，不是只发送1Byte数据，而是任意多个。需要注意，该模式不能跨页写，遇到跨页时，需要重新发送完整的时序。

值得一提的是，AT24Cxx每次写完之后，再到下次写之前，需要间隔5ms时间，以确保上次写操作在芯片内部完成，如图所示。

5、读操作

AT24Cxx支持当前地址读模式、随机地址读模式和顺序读模式。

当前地址读模式就是在上一次读/写操作之后的最后位置，继续读出数据，比如上次读/写在地址n，接下来可以直接从n+1处读出数据；随机地址读模式是指定数据地址，然后读出数据；顺序读模式是连续读出多个数据。

在当前地址读模式下，无需发送数据地址，数据地址为上一次读/写操作之后的位置，时序如图所示，注意在结尾，主机接收数据后，无需产生应答信号。

在随机地址读模式下，需要先发送设备地址，待读的数据地址，接着再重新发出开始信号，设备地址，读出数据，时序如图所示。

在顺序读模式下，需要先从当前地址读模式或随机地址读模式启动，随后便可连续读多个数据，时序如图所示。