I2C -1-----I2C協議和工作流程

1.I2C的線控和收發步驟

I2C 總線是一個標準的雙向接口，使用一個稱為主器件的控制器與從器件進行通信。物理I2C接口由串行時鐘線SCL和串行數據線SDA組成。SDA和SCL線都必須通過上拉電阻器連接到VCC。上拉電阻器的大小由I2C線路上的電容量決定(有關I2C的Cbus計算后面會專門講到)。數據傳輸只能在總線空閑時啟動。如果在STOP條件后SDA和SCL線均為高電平，則總線被視為空閑。

除非被主器件成功尋址，否則從器件無法傳輸數據。I2C總線上的每個器件都有一個特定的器件地址，用于區分同一個I2C總線上的其他器件。許多從屬設備在啟動時需要配置以設置設備的行為。這通常在主機訪問具有唯一寄存器地址的從機內部寄存器映射時完成。一個設備可以有一個或多個寄存器，用于存儲、寫入或讀取數據。I2C與器件之間的通信由主器件發送一個 啟動條件而開始， 并由主器件發送一個停止條件而終止。在SCL為高電平時在SDA線上進行的從高到低轉換定義了啟動條件。當主器件通過產生一個啟動條件控制了總線時，除非停止條件釋放總線，否則所有其他主器件都無法控制總線。在SCL為高電平時在SDA線上進行的 從低到高轉換定義了停止條件。在啟動條件與停止條件之間，必須執行數據通信。

主設備訪問從屬設備的一般程序如下：

下面是主器件要向從器件發送或寫入數據時的步驟：

步驟一，主發送器發送一個啟動條件并尋找從接收器的地址。

步驟二，主發送器向從接收器發送數據。

步驟三，主發送器利用一個停止條件終止傳輸。

下面是主器件要從從器件接收或讀取數據時的步驟：

步驟一，主接收器發送一個啟動條件并尋找從發送器的地址。

步驟二，主接收機將請求的寄存器發送到從發射機進行讀取

步驟三，主接收器從從發送器接收數據。

步驟四，主接收器利用一個停止條件終止傳輸。

2.啟動和停止條件

與該設備的I2C通信由主機發送START條件啟動，并由主機發送STOP條件終止。當SCL為高時，SDA線上的高到低轉換定義了START條件。當SCL為高時，SDA線上的低到高轉換定義STOP條件。圖2-1演示了Start和Stop的波形：

圖2-1：啟動和停止條件示例

3.重復啟動條件

重復啟動條件類似于啟動條件，用于替代背靠背的先停止后啟動條件。它看起來與START條件相同，但與START條件不同，因為它發生在STOP條件之前(當總線不空閑時)。當主設備希望啟動新的通信，但不希望在STOP條件下讓總線空閑時，這非常有用，這有可能導致主設備失去對另一主設備的總線控制(在多主設備環境中)。

4. 數據有效性和字節格式

在SCL的每個時鐘脈沖期間傳送一個數據位。SDA線上的一個字節由八位組成。字節可以是設備地址、寄存器地址，也可以是從設備寫入或讀取的數據。數據首先傳輸最高有效位(MSB)，最高有效位MSB位于數據幀的開頭， 最低有效位LSB位于數據幀的末尾， 后面跟隨確認ACK或未確認NACK。任何數量的數據字節都可以在START和STOP條件之間從主設備傳輸到從設備。SDA線上的數據必須在時鐘周期的高相位期間保持穩定，因為SCL為高時數據線中的變化被解釋為控制命令(START或STOP)。

圖2-2：單字節數據傳輸示例，此時SDA線穩定，SCL線高

圖2-2展示了一個發送1、0、1、0、1、0、1、0的示例，以十六進制表示為AA，包含一個ACK。當SCL為高電平時，會將數據線中的變化視為控制指令，例如啟動和停止。數據的每個字節，包括地址字節，后面都跟隨一個來自接收器的ACK位。ACK位允許接收器向發送器告知它已成功收到字節，可以發送另一個字節了。在接收器可以發送ACK之前，發送器必須釋放 SDA 線。要發送ACK位，接收器必須在ACK/NACK相關時鐘周期，即周期9的低相位期間拉低 SDA 線。當SDA線在ACK/NACK相關時鐘周期期間保持高電平時，將被視為NACK。必須考慮設置時間和保持時間。

5.確認(ACK)和不確認(NACK)

有幾個條件會導致生成NACK。

條件一，接收器正在執行某個實時功能，且未準備好開始與主器件進行通信，因此無法接收或發送數據。

條件二，在傳輸期間，接收器收到了它無法理解的數據或指令。

條件三，在傳輸期間，接收器無法再接收更多的數據字節。

條件四，主接收器已讀取數據，并通過NACK向從器件表明了這種情況。

圖2-3：NACK示例，SDA線在ACK/NACK相關時鐘周期期間保持高電平時，視為NACK

6.數據傳輸

數據必須發送到從設備或從從設備接收數據，但實現這一點的方式是讀取或寫入從設備中的寄存器。寄存器是從存儲器中包含信息的位置，無論是配置信息還是要發送回主存儲器的一些采樣數據。主設備必須將信息寫入這些寄存器，以便指示從設備執行任務。雖然I2C從設備中有寄存器是常見的，但請注意，并非所有從設備都有寄存器。有些設備很簡單，只包含一個寄存器，可以通過在從地址之后立即發送寄存器數據而不是尋址寄存器來直接寫入。單個寄存器設備的一個例子是8位I2C開關，它通過I2C命令控制。由于它有1位來啟用或禁用信道，所以只需要1個寄存器，而主機只在從地址之后寫入寄存器數據，跳過寄存器號。

1.在I2C總線上寫入從設備：

圖2-4顯示了一個向從器件寫入兩個字節時的位和條件模式。主器件在總線上生成一個啟動條件。主器件生成一個7位的從器件地址以及最后一個位，即讀取/寫入位。在本例中，此位是一個寫入位，被設置為0，表示為負W。假設總線上存在一個具有此地址的從器件，則此從器件 會生成ACK。隨后，主器件會發送8個連續寄存器位或曰字節，從器件隨后會生成一個ACK以 確認收到這些位。接下來，主器件會發送第二組連續位，也就是第二個字節，從器件會隨即再次確認，以告知主器件它已收到此字節。然后，主器件會生成停止條件以終止此事務。

要在I2C總線上寫入，主設備將在總線上發送一個啟動條件，其中從設備的地址以及設置為0的最后一位(R/W位)表示寫入。在從設備發送確認位后，主設備將發送它希望寫入的寄存器的寄存器地址。從設備將再次確認，讓主設備知道它已經準備好了。此后，主設備將開始向從設備發送寄存器數據，直到主設備發送了所需的所有數據(有時僅為一個字節)，并且主設備將在STOP條件下終止傳輸。灰色顯示主機控制SDA線，白色顯示從機控制SDA線。

圖2-4：顯示了將單個字節寫入從寄存器的示例

2.從I2C總線上的從設備讀取：

從從設備上讀取與寫入非常相似，但需要額外的步驟。為了從從設備讀取數據，主設備必須首先指示從設備要讀取的寄存器。這是通過主機以與寫入類似的方式開始傳輸，發送R/W位等于0(表示寫入)的地址，然后是它希望從中讀取的寄存器地址來完成的。一旦從設備確認該寄存器地址，主設備將再次發送START條件，隨后是R/W位設置為1的從設備地址(表示讀取)。這一次，從設備將確認讀取請求，主設備釋放SDA總線，但將繼續向從設備提供時鐘。在數據的這一部分，主設備將成為主接收機，從設備將成為從發射機。

主設備將繼續發送時鐘脈沖，但將釋放SDA線路，以便從設備可以傳輸數據。在數據的每個字節結束時，主機將向從機發送ACK，讓從機知道它已經準備好接收更多數據。一旦主設備接收到預期的字節數，它將發送NACK，向從設備發出信號以停止通信并釋放總線。主機將使用STOP(停止)條件進行跟蹤。

圖2-5：顯示了從從寄存器讀取單個字節的示例

圖2-5是一個從從器件讀取兩個字節的位和條件模式。主器件在總線上生成一個啟動條件。主器件生成7位的從器件地址以及最后一個位， 即讀取/寫入位。在本例中，此位是一個讀取位，被設置為 1，表示為字母R。假設總線上存在一個 具有此地址的從器件，則此從器件 會生成一個ACK。隨后，從器件會發送8個連續寄存器位或一個字節，主器件隨后會生成一個ACK以確認收到這些位。接下來，從器件會發送第二組連續位，也就是第二個字節，但主器件將不確認，即NACK，告知從器件它已接收完這些數據。然后，主器件會生成停止條件以終止此進程。這兩種模式代表主器件與從器件之間進行的最基本讀取和寫入操作。