背景

昨天出去了一趟，人问：你熟悉什么？答：软硬件。结果，好尴尬。
硬件一般都做什么内容？
答：电源设计。
能说下升压、降压电路是怎么实现的吗？
答：不能。（Ps：后续增加电源设计原理）
通讯都用到什么接口？
答：UART、I2C、SPI。
然后我想，I2C 我研究了好久，我得把话题转到 I2C 上。
我说：我最近在做 I2C 的接口。
I2C 和 SPI 有什么区别？
答：I2C 总线只需要 2 根线， SPI 对于每个从设备都要外加一条 NSS。而且通讯速率相差甚异。I2C 最高通信频率只能到 4Mbit/s。SPI 能到 50Mbit/s，具体还取决于主从机的性能。
知道为什么 I2C 速度提不上去吗？
答：我猜是阻容特性导致的，具体的不清楚。
…
经过这次，我猜发现，我对 I2C 的了解程度并没有我想象中那么深入。
因此决定用篇文章专门研究 I2C 总线。

I2C 名称的由来

Ps：昨天和男票看《观复嘟嘟》，男票就提到，每次马老师讲一个事物时，总是会先长篇介绍这个事物名称的由来，实际上有助于帮助我们去了解。因此，首先，先介绍下 I2C 名称的由来。

I2C 是 Inter-Integrated Circuit 的简写，Inter-Intergrated Circuit 翻译过来，曰：内置集成电路。为什么 I2C 是内置集成电路?
I2C 总线是由飞利浦（Philips）半导体公司在 80 年代初设计出来的，为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边装置而发展的。
从上面这段语句中，可以得知，I2C 是为了解决低速设备接入高速设备而存在的。

I2C 可以写成 I²C、IIC。

I2C 读作： I - two - C
I²C 读作： I - squared - C
IIC 读作： I - I - C
在中国，咱们读： I 方 C。这个读法，我想国外友人应该是没法听懂的。

I2C 概述

I2C 总线是一种简单、双向二线制的同步串行总线。只需要 2 根线就可以和总线上的器件进行信息传递。

下图是一个典型的 I2C 总线连接示意图。

SDA 和 SCL

从硬件上来说， I2C 总线只有 2 根线，分别为 SDA 和 SCL，两者都是双向 I/O 线。总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。

SDA ：是串行数据总线，负责数据信号的传输。
SCL：是串行时钟总线，负责时钟信号的传输。

电气特性

SDA 和 SCL 都是双向 I/O 线，接口电路为开漏输出（Open-drain），需要通过上拉电阻接电源 VCC。
这样，当总线空闲时，两根线都是 High。

NOTE：
I2C 总线器件均为 CMOS 器件，输出级均为开漏电路，因此，CMOS 器件在总线上消耗的电流很小。这样，就能保证 I2C 总线不需要太大的电流驱动能力，或者说，I2C 具有足够的驱动能力。
但是， I2C 总线扩展器件的数量并不是受限于电流驱动能力，而是受限于电容负载总量。I2C 总线的电容负载能力为 400pF（通过驱动扩展可达到 4000pF）。每一个器件的输入端都相当于一个等效电容，由于 I2C 总线扩展器件的连接方式为并联，因此，I2C 总线的总等效电容等于每一个器件等效电容之和，等效电容的存在会造成传输信号波形的畸变。在超出范围时，会导致数据传输出错。

Master 和 Slave

从接入的设备来说，I2C 总线上连接着主设备（Master）和从设备（Slave）。

Master 用于启动数据传输，并产生时钟信号。
任何被寻址的器件均是被认为是 Slave。

NOTE：
Master 和 Slave 的关系不是恒定的，而是取决于此时数据传输的方向。

工作原理

若 Master 要发送数据给 Slave，则：

Master 首先寻址 Slave
Master 再主动发送数据给 Slave
最后由 Master 终止数据传送

若 Master 要接收 Slave 的数据，则：

Master 首先寻址 Slave
Master 再主动接收 Slave 发送的数据
最后由 Master 终止接收的过程

由此可见，无论是发送数据或者接收数据，都是由主机主动发起和终止数据传输过程。同时， Master 还负责在 SCL 上产生时钟。

数据传输

下图为 I2C Bus的数据传输示意图。

数据有效性

SDA 上的数据必须：

在 SCL 为 High 时，保持不变
在 SCL 为 Low 时，进行电平转换

起始信号和停止信号

每次 Master 发起通讯时， Master 必须产生起始信号（Start）。
在每次通讯结束时，Master 必须产生停止信号（Stop）。

Start 信号：SCL 为 High 时，SDA 由 High 变 Low ，产生下降沿。
Stop 信号：SCL 为 High时， SDA 由 Low 变 High，产生上升沿。

Byte 格式

发送到 SDA 线上的每个数据长度必须为 1 Byte（8 bits）
每次传输可以发送的字节数量不受限制
每个字节后必须跟一个响应位（Ack）
首先传输的是数据的最高位（MSB）

应答响应

I2C 总线共有 2 种应答。当生产 Ack ，认为数据通讯正常，主机可继续通讯。当产生 NAck，认为数据通讯异常，主机可产生停止信号（P）结束通讯。

Ack ：第 9 个 SCL 脉冲时，SDA 为 Low
NAck ：第 9 个 SCL 脉冲， SDA 为 High

NOTE：
当为 I2C 读时序时，最后一个 Byte 均产生 NAck，为正常情况。
当为 I2C 写时序是，最后一个 Byte 均产生 Ack，为正常情况。

I2C 总线共有 2 种情况，需产生应答：

Slave Address + W/R 响应。Master 发送 Slave Address + W/R 后，必须由被寻址的 Slave 产生 Ack，若不存在对应地址的 Slave，主机将接收到 NAck，产生停止信号（P）以终止数据传输。
数据响应。在每 Byte 数据后的第 9 个 SCL 脉冲，必须由 Receiver 产生 Ack，以响应 Transmitter 数据通讯正常，若 Receiver 正在进行其他操作而无法响应 Transmitter时，需产生 NAck 以终止数据传输。

NOTE：

地址应答必须由 Slave 应答
数据应答不区分 Master 和 Slave ，仅区分 Transmitter 和 Receiver。

时钟扩展

在数据传输过程中，如果 Slave 要完成一些其他功能后，才能接受或发送下一个完成的数据字节，可以使 SCL 保持 LOW，迫使 Master 进入等待状态，当 Slave 准备好接收下一个数据字节并释放 SCL 后，数据传输继续。
###Slave Address 和 R/W
在 Master 发起通讯时，在产生 Start 信号后，Master 发送 Slave Address 和 R/W。

Salve Address 为 7 bits。实际可用地址为：（0x07, 0x78）
以下为特殊用途的 Slave Address：

R/W：

R/W = 0 时，表示 Write
R/W = 1 时，表示 Read

Software Reset

若在 General Call（0000 0000h）后，主机发送 0x06（0000 0110），将产生软件复位。
#I2C 总线速率

I2C 共有 5 种通讯速率，分为双向（Bidirectional Bus）和单向（Unidirectional Bus）。

双向（Bidirectional Bus）:
Standard-mode（Sm）：up to 100 kbit/s
Fast-mode（Fm）：up to 400 kbit/s
Fast-mode Plus（Fm+）：up to 1 Mbit/s
High-speed mode（Hs-mode）：up to 3.4 Mbit/s
单向（Unidirectional Bus）:
Ulrta Fast-mode（UFm）：up to 5 Mbit/s

总线电气特性计算

上拉电阻 Rp 阻值计算

供电电压 VDD 和最大输出低电平，决定上拉电阻 Rp 的阻值。
Example：

VDD = 5 V ± 10%， Vol(max) = 0.4 V at 3 mA
Rp（min） = （5 + 5*10% - 0.4）/0.003 = 1.7 kOhm

#总线最大容值计算
随着总线上的设备不断的增多，总线上的容值也随之增大。设备接入总线，相当于电容的并联，电容并联公式：

C = C1 + C2 + C3 + ...

在不考虑上拉和 MOS 驱动电路，仅从电容充放电的角度看，当 R 和 C 越大，电平变换时间越大。

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