快速簡(jiǎn)單理解I2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

對(duì)于嵌入式開發(fā)的朋友來(lái)說(shuō)，I2C協(xié)議實(shí)在是再熟悉不過(guò)了，有太多的器件，采用的都是通過(guò)I2C來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。今天，我們就隨便聊聊這個(gè)I2C協(xié)議。

I2C協(xié)議中最重要的一點(diǎn)是I2C地址。這個(gè)地址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個(gè)地址，而在實(shí)際使用中基本上不會(huì)掛載如此多的設(shè)置，所以很多設(shè)備的地址都采用7位，所以本文接下來(lái)的說(shuō)明都是基于此。

I2C還有一個(gè)很重要的概念，就是“主—從”。對(duì)于從設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是啥都不干的，更不會(huì)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù);而主設(shè)備，則是起到控制作用，一切都是從它開始。

除了GND以外，I2C有兩根線，分別是SDA和SCL，所有的設(shè)備都是接到這兩根線上。那么，這些設(shè)備如何知道數(shù)據(jù)是發(fā)送給它們呢?這就得依靠前面所說(shuō)到的地址了。設(shè)備I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因?yàn)橹荒苡?27個(gè)地址，地址沖突是很常見的，所以一般設(shè)備都會(huì)有一個(gè)地址選擇PIN，比如拉高時(shí)候?yàn)?x50，接地為0x60。如果無(wú)論拉高還是接地，都和別的芯片有沖突，那該怎么辦呢?答案是：涼拌，沒辦法。遇到這種情況，只能換芯片了。

我們來(lái)看I2C協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖：

SCL是時(shí)鐘，SDA承載的是數(shù)據(jù)。當(dāng)SDA從1變動(dòng)到0，而SCL還是1時(shí)，表示開始數(shù)據(jù)傳輸。接下來(lái)的7位，就是設(shè)備的地址。緊接著的是讀寫標(biāo)志，其為1時(shí)是讀取，為0則是寫。如果I2C總線上存在著和請(qǐng)求的地址相對(duì)應(yīng)的設(shè)備，則從設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK信號(hào)通知主設(shè)備，可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。接到ACK信號(hào)后，主設(shè)備則發(fā)送一個(gè)8位的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸完畢之后，SCL保持為1，SDA從0變換到1時(shí)，標(biāo)明傳輸結(jié)束。

從這個(gè)時(shí)序圖中可以看到，SCL很重要，并且哪個(gè)時(shí)鐘沿是干嘛的，都是確定好的。比如，前面7個(gè)必定是地址，第8個(gè)是讀寫標(biāo)志，數(shù)據(jù)傳輸必須是8位，必須接個(gè)ACK信號(hào)等等。

前面的時(shí)序圖并沒有標(biāo)明數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍覀儸F(xiàn)在看看寫操作的數(shù)據(jù)流向：

網(wǎng)格的是主設(shè)備發(fā)送的，白色格子是從設(shè)備發(fā)送的。從圖示中可以看到，對(duì)于寫操作，從設(shè)備都只是發(fā)送ACK進(jìn)行確認(rèn)而已。

而讀操作的數(shù)據(jù)流向，就有所不同，如圖：

這時(shí)候，從設(shè)備除了發(fā)送ACK以外，緊跟著的還有數(shù)據(jù)。

我們用示波器來(lái)查看波形圖，以便于理解。

將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖:

從圖中可知時(shí)序如下：

1.由主機(jī)發(fā)起，在SCL為高電平時(shí)，SDA由高到低切變，形成開始信號(hào);

2. 接著是7位地址和一位讀寫標(biāo)志，這里7位地址為0111100，即0x3c，正是我們代碼中設(shè)置的地址ID;最后一位為0表示寫操作;

3. 接著在下一個(gè)時(shí)鐘，主機(jī)以高電平狀態(tài)釋放SDA，這時(shí)從機(jī)響應(yīng)，將SDA拉低了;

4. 接著是兩個(gè)8位數(shù)據(jù)00101110與響應(yīng)，即0x2E，正是“.”號(hào)的ASCII碼，符合預(yù)期輸出;

5. 還有其它數(shù)據(jù)和最后的停止位，圖中被截掉了。

從圖中可知，縱向一格是200mV，則SDA和SCL的電平大概就是350mV;由于信號(hào)筆上設(shè)置了信號(hào)x10，因此實(shí)際電平應(yīng)該大概是3.5V(理論上應(yīng)該是3.3V)。橫向一格是25us，10個(gè)時(shí)鐘周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每個(gè)時(shí)鐘周期是10us，可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s，即100k bps。

既有讀又有寫的波形圖：

I2C是由2根線進(jìn)行操作的，一個(gè)是主控時(shí)序SCL，另一根主控?cái)?shù)據(jù)SDA

對(duì)于操作主要分成讀寫，讀寫的兩個(gè)操作有部分是相似的

而時(shí)序的操作主要分為：START,DATA,ACK,STOP,NOACK

寫的時(shí)序用到的時(shí)序?yàn)?STRAR,DATA,ACK,STOP

時(shí)序如圖所示：

讀時(shí)序用到的時(shí)序有：START,DATA,ACK,STOP,NOACK

時(shí)序如圖所示：

下面對(duì)時(shí)序的說(shuō)明：

IDLE：空閑的時(shí)候，盡量將SDA和SCL拉到高電平

START：保持SCL為高電平，然后SDA由H->L

DATA：數(shù)據(jù)是當(dāng)SCL為高電平的時(shí)候采集的數(shù)據(jù)才是有效的數(shù)據(jù).

ACK：在發(fā)完數(shù)據(jù)后，從設(shè)備會(huì)將SDA拉到L

NOACK：在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，從設(shè)備不會(huì)將SDA拉低

STOP：保持SCL為高電平，然后SDA由L->H

好了，說(shuō)一下時(shí)序的流程和時(shí)序圖：

寫時(shí)序的流程是：START –>

從設(shè)備的寫地址 –> ACK –>

從設(shè)備的寄存器地址 –> ACK –>

寫入的數(shù)據(jù) –> ACK –>

STOP

寫時(shí)序圖：

讀時(shí)序的流程是：START –>

從設(shè)備的寫地址 –> ACK –>

從設(shè)備的寄存器地址 –> ACK –>

從設(shè)備的讀地址 –> ACK ->

讀出的數(shù)據(jù) –> NOACK –>

STOP

讀時(shí)序圖：

其中要注意的是I2C的2根線上都必須接上拉電阻，阻值一般是4.7K

在獲得ACK的時(shí)候，一般將SDA輸出一個(gè)高阻，然后再讀入ACK，好讓從設(shè)備拉低SDA