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【導讀】本文詳細解說了I2C的概念，對I2C總線概述進行了概述，并且從I2C總線時序出發，對其進行總結。最后詳細描述了I2C總線時序的工作過程。相信讀者閱讀本文后，會對I2C總線及時序更加了解。

一.概述：

I2C 是Inter-Integrated Circuit的縮寫，發音為"eye-squared cee" or "eye-two-cee" , 它是一種兩線接口。
I2C 只是用兩條雙向的線，一條 Serial Data Line (SDA) ，另一條Serial Clock (SCL)。
SCL：上升沿將數據輸入到每個EEPROM器件中；下降沿驅動EEPROM器件輸出數據。(邊沿觸發)
SDA：雙向數據線，為OD門，與其它任意數量的OD與OC門成"線與"關系。

二.輸出級

圖1
 

每一個I2C總線器件內部的SDA、SCL引腳電路結構都是一樣的，引腳的輸出驅動與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開路的場效應管，輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器，這種電路具有兩個特點：

1)由于SDA、SCL為漏極開路結構(OD)，因此它們必須接有上拉電阻,阻值的大小常為 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 時性能最好；當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線"與"關系。

2)引腳在輸出信號的同時還將引腳上的電平進行檢測，檢測是否與剛才輸出一致，為"時鐘同步"和"總線仲裁"提供了硬件基礎。

三. 主設備與從設備

系統中的所有外圍器件都具有一個7位的"從器件專用地址碼"，其中高4位為器件類型，由生產廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由使用者定義。主控器件通過地址碼建立多機通信的機制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個器件，其系統仍然為簡約的二線結構。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端必須是帶有CPU的邏輯模塊，在同一總線上同一時刻使能有一個主端，可以有多個從端，從端的數量受地址空間和總線的最大電容 400pF的限制。

● 主端主要用來驅動SCL line；
● 從設備對主設備產生響應；

二者都可以傳輸數據，但是從設備不能發起傳輸，且傳輸是受到主設備控制的。

圖2
 

四.速率：

● 普通模式：100kHz；
● 快速模式：400kHz；
● 高速模式：3.4MHz；

沒有任何必要使用高速SCL，將SCL保持在100k或以下，然后忘了它吧。
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五.時序：

1、協議

（1）空閑狀態

I2C總線的SDA和SCL兩條信號線同時處于高電平時，規定為總線的空閑狀態。此時各個器件的輸出級場效應管均處在截止狀態，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。

（2）起始位與停止位的定義：

起始信號：當SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動信號是一種電平跳變時序信號，而不是一個電平信號。
停止信號：當SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號也是一種電平跳變時序信號，而不是一個電平信號。

圖3
 

（3）ACK

發送器每發送一個字節，就在時鐘脈沖9期間釋放數據線，由接收器反饋一個應答信號。 應答信號為低電平時，規定為有效應答位（ACK簡稱應答位），表示接收器已經成功地接收了該字節；應答信號為高電平時，規定為非應答位（NACK），一般表示接收器接收該字節沒有成功。 對于反饋有效應答位ACK的要求是，接收器在第9個時鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時鐘的高電平期間為穩定的低電平。 如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節后，發送一個NACK信號，以通知被控發送器結束數據發送，并釋放SDA線，以便主控接收器發送一個停止信號P。

圖4
 

如下圖邏輯分析儀的采樣結果：釋放總線后，如果沒有應答信號，sda應該一直持續為高電平，但是如圖中藍色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應答信號。

這里面給我們的兩個信息是：1)接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；2)應答信號一直保持到SCL的下降沿結束；正如前文紅色標識所指出的那樣。

圖5
 

（4）數據的有效性：

I2C總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。

我的理解：雖然只要求在高電平期間保持穩定，但是要有一個提前量，也就是數據在SCL的上升沿到來之前就需準備好，因為在前面I2C總線之(一)---概述一文中已經指出，數據是在SCL的上升沿打入到器件(EEPROM)中的。

圖6
 

（5）數據的傳送：

在I2C總線上傳送的每一位數據都有一個時鐘脈沖相對應（或同步控制），即在SCL串行時鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數據。數據位的傳輸是邊沿觸發。
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2、工作過程

總線上的所有通信都是由主控器引發的。在一次通信中，主控器與被控器總是在扮演著兩種不同的角色。

（1）主設備向從設備發送數據

主設備發送起始位，這會通知總線上的所有設備傳輸開始了，接下來主機發送設備地址，與這一地址匹配的slave將繼續這一傳輸過程，而其它slave將會忽略接下來的傳輸并等待下一次傳輸的開始。主設備尋址到從設備后，發送它所要讀取或寫入的從設備的內部寄存器地址； 之后，發送數據。數據發送完畢后，發送停止位：
寫入過程如下：

發送起始位

● 發送從設備的地址和讀/寫選擇位；釋放總線，等到EEPROM拉低總線進行應答；如果EEPROM接收成功，則進行應答；若沒有握手成功或者發送的數據錯誤時EEPROM不產生應答，此時要求重發或者終止。
● 發送想要寫入的內部寄存器地址；EEPROM對其發出應答；
● 發送數據
● 發送停止位.
● EEPROM收到停止信號后，進入到一個內部的寫入周期，大概需要10ms，此間任何操作都不會被EEPROM響應；

圖7
 

詳細：

圖8
 

需要說明的是：①主控器通過發送地址碼與對應的被控器建立了通信關系，而掛接在總線上的其它被控器雖然同時也收到了地址碼，但因為與其自身的地址不相符合，因此提前退出與主控器的通信；

（2）主控器讀取數據的過程：

讀的過程比較復雜，在從slave讀出數據前，你必須先要告訴它哪個內部寄存器是你想要讀取的，因此必須先對其進行寫入(dummy write)：

● 發送起始位；
● 發送slave地址+write bit set；
● 發送內部寄存器地址；
● 重新發送起始位，即restart；
● 重新發送slave地址+read bit set；
● 讀取數據

主機接收器在接收到最后一個字節后，也不會發出ACK信號。于是，從機發送器釋放SDA線，以允許主機發出P信號結束傳輸。

● 發送停止位

圖9
 

詳細：

圖10