串行通信（一）：I2C

Ⅰ. 工作原理：

I2C全称为Inter-Integrated Circuit（内部集成电路），是一种串行总线的外设接口，采用同步方式串行接收或发送数据，两个设备在同一个时钟下工作。
I2C总线只需要两根线：SDA-->串行数据线；SCL-->串行时钟线。
SDA线和SCL线都是双向 I/O线，接口电路为开漏输出，必须通过上拉电阻接到电源VCC，总线空闲时，两根线都是高电平。
这里阐明两个概念，解释为什么需要上拉电阻：

1.推挽输出结构是由两个MOS或者三极管互补输出组成，同一时刻，只有一个导通，另一个截止；推挽输出最大的优点是：可以真正的输出高电平和低电平，且在两种电平下都具有驱动能力。但一个缺点是：推挽输出不能实现“线与“。如果两个推挽输出结构相连在一起，比如A、B两个结构；A结构上面的MOS导通，下面的MOS截止；同时B结构上面的MOS截止，下面的MOS导通，那么电流会直接从VDD-->A结构上面的MOS-->B结构下面的MOS-->GND。整个通路电阻很小，会发生短路。

2.开漏输出最主要的特性是高电平没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻接到高电平才能输出高电平。当MOS管截止，那么电流会从VDD-->MOS上拉电阻-->负载-->GND。这一特性可以实现”线与“功能。

3.线与即多个信号线直接连接在一起，只有当所有信号全部为高电平时，合在一起的总线才为高电平；只要任意一个或多个信号为低电平，则总线为低电平。

4.上拉电阻过大，驱动能力不足；上拉电阻过小，上拉过强，无法拉低。

IIC只有两根线(SCL和SDA)，假设主设备A需要启动I2C, 他需要在SCL高电平时, 将SDA由高电平转换为低电平作为启动信号。主设备A在把SDA拉高后, 它需要再检查一下SDA的电平。
SDA是高电平, 说明主设备A可以占用总线, 然后主设备A将SDA拉低, 开始通信.
SDA是低电平, 说明已经有其他主设备将SDA拉低了，由于 1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时, 会发现不是高电平, 而是低电平. 说明其他主设备抢占总线的时间比它早, 主设备A只能放弃占用总线，如果是高电平, 则可以占用。

Ⅱ.协议信号

起始信号：当 SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换。
停止信号：当 SCL 线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换。
发送数据：8个数据位，先传最高位（MSB），然后释放SDA线（拉高电平）
SCL为低电平时(0)，SDA可进行电平转换；
SCL为高电平时(1)，SDA必须保持不变，接收设备（主设备或从设备）读取数据。
接收响应：ACK，在第九个周期（可以说是第九个数据位）
从机设备拉低SDA(0)，这表示一个确认位（ACK），答复发送设备，接收完成；如果从机保持SDA为高电平(1)，主机认为从机没有确认（NACK)本次数据传输，多字节数据传输过程就会被中止。

Ⅲ.传输内容和过程

1）内容：

地址帧(address frame)：一旦主机产生一个起始信号，总线便不在空闲。主机接着发送包含7位从机地址和1位读写标志（R/W）共8个数据位。
数据帧(data frames)：由master发往slave的数据（或由slave发往master），每一帧是8-bit的数据
2）过程：现在的I2C应用里，在起始信号后要发2~3个地址，第1个是设备地址，第2个是设备内的地址（比如寄存器地址、存储空间地址），如果设备内部地址是16位，则发第3个地址，与第2个地址组合起来拼16位地址，然后才是读写数据操作。

Ⅳ.I2C读写数据步骤

1：写数据：

1).发送一个起始信号。
2).发送7bit从机地址，即接收设备地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处需要发送bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。（为从器件的的写地址-->Slaver_Addr | 0）
3).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
4).发送寄存器地址（想要写入的寄存器地址），8bit数据。
5).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
6).发送一个数据，8bit数据。
7).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答信号。
8).发送一个CRC校验码，此CRC校验值为2、4、6步数据产生的校验码。（可以不校验）
9).既可以发送一个应答信号，也可以发送一个无应答信号，均由从机器件产生。
10).发送一个停止信号。

2：读数据：

1).发送一个起始信号。
2).发送7bit从机地址，即接收设备地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。（为从器件的的写地址-->Slaver_Addr | 0）
3).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
4).发送寄存器地址（想要读取的寄存器地址）。
5).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
6).再次发送一个起始信号。
7).发送7bit从机地址，即接收设备地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。（为从器件的的读地址-->Slaver_Addr | 1）
8).产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
9).读取一个字节(8bit)的数据。
10).产生一个ACK应答信号，此应答信号为CPU产生。
11).读取一个CRC校验码。（可以不校验）
12).产生一个NACK信号。此无应答信号由CPU产生。
13).产生一个停止信号。

Ⅴ. 附：

1).I2C读取数据时序图

2).I2C代码：见上传资源赛元SC95F861X+日历芯片PCF8563_赛元-嵌入式文档类资源-CSDN下载