I2C總線協議分析

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。它只需要兩根線即可在連接于總線上的設備之間通信。I2C的兩根線SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出，需通過上拉電阻接電源VCC，當總線空閑時，兩根線都是高電平。

常見的硬件結構圖（一個適配器，兩根線，若干設備而已）

使用I2C通信時，必須指定主從設備，一般包含有I2C控制器的處理器被配置成主設備，掛接在i2c總線上的外設作為從設備。通信開始都是由主設備發起的，在i2c總線上的每個設備都有一個7bit位的地址，稱為i2c設備地址。

主設備如何發起開始和停止通信信號？

在SCL線為高電平時，將SDA線由高拉低，即發出一個start開始信號；當SCL為高電平時，將SDA由低拉高，即發送一個stop停止信號；那么這些操作都是由主設備的I2C控制器完成的。

I2C總線上有很多的設備，如何保證一對一的通信？

在I2C總線上的每個設備都有一個7bit位的地址，在I2C總線處于空閑狀態時，如果有主設備想發起通信，那么將由它先發出一個start信號占有總線，緊接著發送這個主設備想要進行通信的從設備的7bit位的地址，這個地址在I2C總線上處于廣播狀態，即總線上的所有設備都能看到這個地址，如果某一個從設備發現總線上傳輸的地址和自己的設備地址一樣，那么就發送一個應答信號，這時主從設備間的通信就建立了，這個時候I2C總線將處于busy狀態，其他的設備無法再使用總線，從而在總線上建立了一個一對一的通信。當通信結束時，由主設備發送一個stop信號，釋放總線，其他的設備就可以再次占用總線通信了。

I2C上的主從設備如何通信？

在I2C總線上傳輸的數據都是8bit位為單位的，所以當主機要往從機寫數據時時序如下：

1. 發送start信號

2. 發送7位地址+1個讀寫位0（0表示寫，1表示讀）

3. 從機收到地址后，發送ACK應答信號

4. 主機收到應答信號后發送要寫的8位數據

5. 若從機收到主機發送的數據，發送ACK應答信號

6. 如果主機要繼續寫，那么回到步驟4，如果寫完了那么發送stop信號，終止通信

當主機要從從機讀取數據時時序如下：

1. 發送start信號

2. 發送7位地址+1個讀寫位1（0表示寫，1表示讀）

3. 從機收到地址后，發送ACK應答信號

4. 主機收到應答信號后等待接收從機的數據

5. 從機發送主機要讀取的數據

6. 若主機收到從機發送的數據，發送ACK應答信號

7. 如果主機要繼續讀，那么回到步驟4，如果讀完了那么發送stop信號，終止通信

那么在具體的使用場景中是什么樣子呢？從機設備內部往往有很多寄存器，如何讀寫這些寄存器呢？以RPR0521這個sensor作為從設備的實例進行分析：

主機寫RPR0521中某個寄存器（寄存器的地址是8位的，寄存器中數據也是8位的）

1. 主機發送完7位的從機地址和寫位

2. 主機發送8位的要寫的從機的內部寄存器地址

3. 從機收到后發送ACK

4. 主機收到ACK后，然后發送要往這個寄存器寫的數據

5. 如果主機不繼續寫數據就直接發送stop，如果還要往下一個寄存器繼續寫（寄存器地址必須連續）那么回到步驟4發送下一個數據，直到寫完發送stop

主機讀RPR0521中某個寄存器的值（寄存器的地址是8位的，寄存器中數據也是8位的）

1. 主機發送完7位的從機地址和寫位（一定要注意，先寫然后讀）

2. 主機發送8位的要讀的從機的內部寄存器地址（用于確定要讀的寄存器的地址）

3. 從機收到后發送ACK

4. 主機收到ACK后發送7位的從機地址和讀位，然后等待接收數據

5. 主機收到ACK和從機發送過來的數據

6. 如果主機不讀了就發送stop，如果繼續讀就回到步驟5（從機會自動發送連續寄存器的數據）

常用debug手段

在實際項目中，通常會出現讀不到數據，那么我們就需要debug，最常見的debug手段就是使用示波器抓時序，下圖是I2C數據傳輸的時序：

SDA的數據在SCL位高電平時保持穩定，在SCL為低電平時數據改變，所以我們應該在時鐘周期的高電平期間讀取有效數據進行分析。

以上是我總結的I2C總線的基本協議，如有不足歡迎指出，謝謝閱讀！