I2C總線的傳輸協議及工作原理

　　一、特點

　　I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。其主要特點可以概括如下：

　　（1）在硬件上，12C總線只需要一根數據線SDA和一根時鐘線SCL兩根線，SDA傳輸數據，每次傳輸8bit，即一字節，且先傳輸高bit，再傳輸低bit。SCL是時鐘線，用于時鐘同步。

　　（2）I2C總線是一個真正的多主機總線。如果兩個或多個主機同時初始化數據傳輸，可以通過沖突檢測和仲裁防止數據破壞，每個連接到總線上的器件都有的地址，任何器件既可以作為主機也可以作為從機，但任何時間點只能有一個主機。總線上每個設備都有自己的一個地址，通過地址方式尋址各個器件，共7個bit，理論上總線可掛載127個器件（全0為廣播地址），但一個系統中可能有多個同種芯片，因此地址又分為固定部分和可編程部份，具體視芯片而定。

　　（3）連接到總線上的芯片數量除受7bit地址限制外，還受總線電容的限制。

　　（4）串行的8位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100Kbit/s，快速模式下可達400Kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。

　　二、工作原理

　　SDA和SCL都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出，使用時必須通過上拉電阻接到電源VCC．當總線空閑時，兩根線都是高電平，連接總線的所有器件輸出級都是開漏電路，從而在總線上消耗的電流很小。因此，總線上擴展的器件數量主要由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容．而線路中電容會影響總線傳輸速度。當電容過大時，有可能造成傳輸錯誤。由于其負載能力為400pF，因此可以估算出總線允許長度和所接器件數量。

　　總線上的器件由一個主器件和其他從器件組成。主器件用于啟動總線傳送數據，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件．在總線上主和從、發和收的關系不是恒定的，而取決于此時數據傳送方向。如果主器件要發送數據給從器件，則主器件首先尋址從器件，然后主動發送數據至從器件，由主器件終止數據傳送；如果主器件要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件．然后主器件接收從器件發送的數據，由主器件終止接收過程。在這種情況下，主器件負責產生定時時鐘和終止數據傳送。

　　三、傳輸協議

　　位傳輸

　　數據位傳輸：SCL為高電平時，SDA線若保持穩定，那么SDA上是在傳輸數據；若SDA發生跳變，則用來表示一個會話的開始或結束。數據改變：SCL為低電平時，SDA線才能改變傳輸的數據位，具體如下圖所示。

　　開始和結束信號

　　開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。其具體如下圖所示。

　　應答信號

　　主設備每發送完8bit數據后等待從設備的ACK，即在第9個clk，讀取到SDA低電平為有效;主設備把clk拉低，并將sda換成輸入模式（上拉電阻，默認高電平）讀取第9位，clk再次拉高，讀取從設備發來的ACK。這里又分兩種情況：

　　1.寫操作：主設備把clk拉高，等待讀取ACK，從設備發現clk拉高后，就把sda拉低，告訴主設備，成功接收到8位數據。

　　2.讀操作：主設備發送芯片地址和寄存器地址，這兩個字節的ACK都是由從設備來拉低，同寫操作;從設備開始向從設備發送數據，clk為低時，sda變化，主設備clk拉高時讀取sda，ACK由主設備拉低;當從設備發送完一個字節后，主設備強制把ACK拉高，通知從設備不要需要再發了，從設備發現這個ACK沒有被拉低，認為主設備接收錯誤，也就結束發送了，當然從設備自己也知道這是一個字節。