嵌入式学习（十七）—I2C协议介绍(一)
文章概述
一、I2C总线定义
二、工作原理
三、通信过程
四、I2C通信的优缺点
背景
昨天跟做技术的朋友在聊天，他问我，你搞硬件的了解通讯协议吗？
答：硬件肯定要懂通讯协议了，I2C,SPI,UART,CAN...
问：那你给通俗的讲讲I2C协议
答：I2C协议我研究了好多遍了，你有什么问题尽管问
问：I2C和SPI有什么区别？
答：I2C总线只需要2根线，SPI需要3~4根线，且SPI需要一根片选CS，两者的通信速率相差比较大，I2C标准最高通信400kbps，SPI可以达到10Mbps
问：知道I2C速度为什么提不上去吗？上拉电阻最小值如何计算出来的？
答：我猜是总线的对GND电容导致的，上拉电阻都是取的经验值...
经过这次讨论，我发现，我对I2C了解的程度并没有那么深，所以还是老老实实的记一下笔记。
一、I2C总线定义
要搞清楚一种总线，就跟了解一件事情的来龙去脉一样，首先要弄清楚由来。
I2C是Inter-Intergrated Circuit的简称，英文翻译过来是：内置集成电路。为什么I2C是内置集成电路？I2C总线是由Philips公司在80年代初开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，为了让主板、嵌入式系统用以连接低速的周边设备而发展的，从这个字面上意思上来看，I2C是一种低速率的串行总线，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之所以被广泛应用，因为这种通信总线比较简单，物理上只需要两根线--串行数据线（SDA）和串行时钟线(SCL)，即可在连接于总线上的器件传送信息。这里说明一点，I2C仅限于板级间走线，因为通信距离受到一些参数限制，比如总线的负载电容、总线上的电流等等。 既然是双方或者多方通信，肯定会有发起的一方。我们将发起通信的这一方称为主器件，主器件用来启动总线传送数据，并产生时钟，数据在时钟脉冲的作用下，去寻址从器件。此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据的传输方向。主机负责产生时钟和终止数据传送。
二、工作原理
下图是I2C总线电路的结构分析，虚框内是IC内的电路，虚框外是外部电路。
从上图可以看出：I2C两根线：一根串行时钟线SCL、一根串行数据线SDA，且两根线对应到器件的两个pin均是双向的，也就是说主器件和从器件不是恒定不变的。
Pin脚的电路结构为开漏输出（开漏输出的典型特点是需外接上拉电阻才能对外输出高电平），所以需要通过上拉电阻接电源VCC，保证总线空闲时两根线都是高电平，且能够实现高低电平的变化。总线在传输数据时，当SCL电平为高时，SDA数据有效，且需要保持一定的时间；当SCL为低电平时，SDA数据无效，允许变化。
I2C总线有主从之分，连接总线的外部器件也都是CMOS器件，输出级也都是开漏电路，在总线上消耗的电流很小，这样保证I2C总线不需要太大的电流驱动能力。但I2C总线上可扩展的器件数量主要是由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容，而线路中电容会影响总线传输速度，当电容过大时，有可能造成传输错误。所以需要根据不同的负载电容去估算支持的最大从设备数量。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，因为I2C总线的等效电容等于每个器件的等效电容之和，等效电容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。
由上图可以看出，Rp是上拉电阻，CL就是该器件I2C接口的对GND电容，上拉电阻Rp计算方式：(VDDmax-UINLmax)/Rpmin< （2~4）mA（I/O口的灌电流）其中:VDDmax:电源电压的最大值，UINLmax:I/O口上允许的低电平的最大值（CMOS电路结构中UINL<=0.7V）
举例：评估出一个最小的上拉电阻阻值
已知：电源电压VDD=5V±%10，IO端口的驱动能力为3mA，UINmax=0.7V，则最小的上拉电阻计算如下：
(VDDmax-UINmax)/Rpmin<3mA 代入数据，得Rpmin=1.6k；
上拉电阻Rp的最大值计算
总线电容是线路连接和管脚的总电容，它决定了Rp的最大值
1）标准模式：每条总线线路的最大电容负载都为400pF,且Tr<300ns；
2）快速模式：每条总线线路的最大电容负载都为200pF,且Tr<300ns；
I2C的速率：
标准模式SM(Standard mode)：100kbit/s,
快速模式FM(Fast mode)：400kbit/s,
快速+模式（Fast mode Plus）：1Mbit/s
高速模式HS(High-speed mode):3.4Mbit/s
快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，SDA和SCL输入有施密特触发器；
快速模式器件的输入缓冲器对SDA和SCL信号的下降沿有斜率控制功能；
如果快速模式器件的电源电压被关断，SDA和SCL的I/O管脚必须悬空，不能阻塞总线；
评估I2C总线一个最大的上拉电阻阻值方法
I2C端口输出高电平是通过Rp上拉到VDD实现，线上电平由低到高的变化，电源通过Rp对线上负载电容Cl充电，从低电平切换到高电平，是需要一定时间的，即上升时间，这个上升时间可以近似用充电时间常数Rp*Cl表示，瑞昱100kbit/s速率应用，信号上升时间小于300ns，假设线上的Cl为20pF,计算出对应的Rp值为17k。（计算公式：Rpmax=tr/(0.8473*Cb)），tr为上升时间，Cb为总线电容。最大的Rpmax是变化的，需要根据实际的Cb计算。
如果Rp*Cl充电时间常数过大，将是信号上升沿变化缓慢，达不到传输数据要求；如果Rp太小，则会增大端口的sink电流，在可能的情况下，Rp取值大要一些，以减少好点。
电路干扰：在I2C设备的电源入口处要加滤波电容，一般加10nF或100nF；SDA和SCL上如果有干扰，要做滤波处理，总线上串接几十欧姆的电容，对地加几十pF电容；
三、通信流程
I2C通信特征总的来说，主要是同步串行通信、非差分、低速率。
I2C的在数据传输过程中共有三种类型的信号：开始信号START,结束信号END,应答信号ACK/NACK.
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平跳变为低电平，表示开始通信；
停止信号：SCL为高电平时，SDA由低电平跳变为高电平，表示结束通信；
应答信号ACK（NACK）：在接收数据的IC在接收到一个字节数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲（NACK是高电平脉冲，应答信号一般是在第9个时钟传输），表示已经收到数据。开始和结束信号都是由主机发车，应答信号是由从机发出。
数据的有效性：当开始传输数据时，I2C是在SCL为高电平时采样，所以SDA线上的数据必须在时钟SCL高电平周期内保持稳定的高电平或者低电平状态，否则会导致通信失败。同样，只有在SCL线上的时钟信号是低电平时,SDA线上的电平才能改变。
空闲状态：SCL，SDA线上都是高电平。
ACK/NACK说明：
1.主机向从机发送数据，从机无法接收或者无法识别解析数据时，会发送NACK;
2.从机向主机发送数据，主机不想接收了，主机会发送NACK，这时从机释放SDA总线，好让主机接下来发送STOP信号。
发起通信的流程
首先主机会线拉低SDA总线，标志我要开始通信了，接下来主机会发送 7bit的地址+1bit的读写位 如果某个从设备地址和主机发的地址吻合，就会发出一个ACK信号，通信就此建立。之后的读写操作，要具体看从设备的通讯规范，比如读一个寄存器可能要如下操作：
图中，灰色表示主机发送，白色表示从机发送。主机之所以如此发送数据，是根据从机的通信手册来的，并不是标准的I2C协议规定的，主机并不知道这些数据的意义，只有从机知道。
传输步骤
1.在SCL线为高电平时，主机通过将SDA线从高电平切换到低电平来启动总线通信
2.主机想总线发送要与之通信的从机的7位或者10位地址，以及读写位。
3.每个从机将主机发送的地址与自己的地址进行比较，如果地址匹配，则从机将SDA线拉低一位，返回一个ACK位，如果主机的地址与从机的地址不匹配，则从机将SDA线拉高。
4.主机发送或接受数据帧：
5.传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认成功接收到该帧。
6.随后主机将SCL切换为高电平，然后再将SDA切换为高电平，从而向从机发送停止条件。
以上是单个字节的传输步骤详解，多字节的读写和页写，后面我们根据代码再介绍。
四、I2C通信优缺点
与其他通信协议相比，I2C听起来很复杂，以下是其优缺点的总结。
优点
仅使用两根线
支持多个主机和多个从机
ACK/NACK位用于确认每个帧都已成功传输
硬件比UART更简单
缺点
数据传输速率比SPI慢
数据帧的大小限制为8位
