I²C总线通信协议

（1）I²C概述

I²C（Inter-Intergrated Circuit）集成电路总线，该总线是由飞利浦公司在1980年代初设计出来的。主要是用来连接整体电路，是一种多向控制总线，也就是说多个器件可以连接到同一总线结构下，同时每个器件都可以作为实施数据传输的控制源。

I²C属于半双工同步串行通信方式。

（2）I²C硬件拓扑结构

I²C总线一般有两根线，一个是双向传输的数据线（SDA），另一个是时钟线（SCL），所有接到I²C总线设备上的串行数据线SDA都接到总线的数据线SDA上，各设备的时钟线SCL都接到总线的时钟线SCL上。硬件连接如下图1所示，数据线SDA与时钟线SCL都通过一个上拉电阻连接到电源，初始电平都为高电平，处于空闲状态。每个连接到I²C总线的元器件都有唯一的地址。

（3）I²C协议

I²C总线在数据传输过程中时钟线SCL始终由主机控制，数据传输期间共有三种信号产生：开始信号，停止信号和应答信号。简单概况如下：

①数据有效性

在时钟线SCL高电平期间内，数据线SDA上的数据必须保持稳定，数据线SDA的数据仅允许在时钟线SCL为低电平时改变，如下图2所示。

②开始信号

当时钟线SCL处于高电平期间，数据线SDA产生由高电平向低电平的跳变，如下图3所示。

③停止信号

当时钟线SCL处于高电平期间，数据线SDA产生由低电平向高电平的跳变，如下图3所示。

④应答信号

总线上的接收器每收到一个字节（8bit）就产生一个应答信号ACK。接收器拉低数据线SDA表示应答，并在应答脉冲期间保持稳定的低电平。若主器件作为接收器时，必须发送数据传输结束的信号给发送器，即它在接收最后一个字节数据的应答脉冲期间不会产生应答信号（NACK，不拉低数据线SDA），如下图4所示。

⑤数据帧格式

I²C总线传输的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在开始进行数据传输时，主机发出开始信号后，先传输一个器件地址（共7位，前4位是固定，后3位由硬件决定，即同一设备上可接8个同一器件）以及一位读/写位（"0"表示主机发送数据W，"1"表示主机接收数据R），再传输一个字节地址（8位，用来选择从器件内部的第几个字节读/写），最后传输数据。每次数据传输总是由主机发出停止信号而结束。

1）主机向从机发送数据（以E²PROM为例）

1、主机发送起始信号；

2、主机发送从器件地址以及读/写位（"0"），主机释放总线，等待从器件应答；

3、主机发送需写入的内部寄存器地址，等待从器件应答；

4.、主机发送数据

5、主机发送停止信号

6、E²PROM收到停止信号之后，内部进入写周期，大概需要5ms，此期间之内任何操作都不会被E²PROM响应（因此以这种方式的多次写入，需要插入一个延时，否则会导致失败）；

注：阴影部分由主机向从机传送，无阴影部分表示从机向主机传送。A表示应答信号（低电平），Ā表示非应答信号（高电平）；START表示起始信号，STOP表示停止信号。

2）主机向从机读取数据（以E²PROM为例）

1、主机发送起始信号；

2、主机发送从器件地址以及读/写位（"0"），主机释放总线，等待从器件应答；

3、主机发送需写入的内部寄存器地址，等待从器件应答；

4、主机再次发送起始信号，即Restart；

5、主机发送从器件地址以及读/写位（"1"），主机释放总线，等待从器件应答；

6、主机读取数据。主机在接收到最后一个字节数据后，不会发出应答ACK信号，于是从器件释放数据线SDA，以允许主机发送停止信号；

7、主机发送停止信号