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I2C基础知识
一.I2C简介
二.I2C通信工作原理
-2.1.I2C报文Message
-2.2.I2C基本概念
-2.3.I2C通信数据传输步骤
三.I2C编程要点
-3.1.I2C初始化函数
-3.2.I2C数据发送函数
-3.3.I2C数据接收函数
四.I2C的优缺点
-4.1.I2C的优点
-4.2.I2C的缺点
五.I2C的典型应用
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I2C基础知识
一.I2C简介
二.I2C通信工作原理
-2.1.I2C报文Message
-2.2.I2C基本概念
-2.3.I2C通信数据传输步骤
三.I2C编程要点
-3.1.I2C初始化函数
-3.2.I2C数据发送函数
-3.3.I2C数据接收函数
四.I2C的优缺点
-4.1.I2C的优点
-4.2.I2C的缺点
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# I2C基础知识 ## 一.I2C简介<a name="I2C简介"></a> I2C：Inter-Integrated Circuit，内部集成电路（总线），是一种常见的通用通信协议，I2C是单片机（或者SOC）与外设芯片通信的常用通信手段。I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。  SDA：Serial Data，数据线。 SCL：Serial Clock，时钟线。 I2C是串行通信协议，因此数据沿着SDA一位一位地传输。与SPI一样，I2C也需要时钟同步信号且时钟信号始终由主机控制。 按照速率不同，I2C可分为标准模式（最大100kbps），快速模式（最大400kbps），高速模式（最大3.4Mbps）与超快速模式（最大5Mbps）。 I2C在组网时允许单个主机多个从机或者多个主机多个从机，非常灵活。不同的工作模式下允许的总线负载电容不同：标准与快速400pF，高速100pF。总线负载电容决定了挂载在总线上设备数量的上限，通常I2C设备的容性负载小于10pF，所以设备数量上限400/10=40个。实际应用中，由于总线本身也包含容性负载，因此通常挂载设备小于30个。 大部分情况下，I2C的两根线需要通过电阻上拉到电源正极Vcc。对于标准模式与快速模式，上拉电阻的值一般小于5千欧。如果主机与从机均使用相同电压的电源，直接相连即可。如果主机与从机使用不同电压的电源，则可能还需要进行电平转换。 ## 二.I2C通信工作原理<a name="I2C通信工作原理"></a> ### 2.1.I2C报文Message<a name="I2C报文Message"></a> I2C的数据传输以报文Message的形式进行，每个Message都包含从机的二进制地址帧，一个或多个数据帧，还包含开始条件和停止条件，读/写位，数据帧之间的ACK/NACK位。  **1.开始条件** 当SCL是高电平时，SDA从高电平向低电平切换。 **2.停止条件** 当SCL是高电平时，SDA从低电平向高电平切换。 **3.地址帧** 每个从设备唯一的7位或10位序列，用于主从设备之间的地址识别。 **4.读/写位** 一位，位于地址帧的后面，如果主机是向从机发送数据则为低电平，请求数据则为高电平。 **5.ACK/NACK位** Message中的每个帧后均带有一个ACK/NACK位，如果成功接收到地址帧或者数据帧，接收设备会返回一个ACK位用于表示确认。 ### 2.2.I2C基本概念<a name="I2C基本概念"></a> **1.寻址** 由于I2C没有像SPI那样的片选线，因此I2C需要使用另一种方式来确认某一个从设备，这个方式就是寻址。 主机将要通信的从机地址发送给每一个从机，然后每个从机将其与自己的地址进行比较。如果地址匹配，它将向主机发送一个低电平ACK位。如果不匹配，则不执行任何操作，SDA线保持高电平。 **2.数据帧** 当主机检测到从机的ACK位后，就可以发送第一个数据帧了。I2C数据帧始终为8位，每个数据帧后紧跟一个ACK/NACK位来验证接收状态。当发送完所有数据帧后，主机可以向从机发送停止条件来停止通信。 ### 2.3.I2C通信数据传输步骤<a name="I2C通信数据传输步骤"></a> I2C通信数据传输步骤如下： 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.主机向总线发送要与之通信的从机的7位或10位地址，以及读/写位。  3.每个从机将主机发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，则从机通过将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.主机发送或者接收数据帧。  5.传输完每一个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认已成功接收到该帧。  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。  ## 三.I2C编程要点<a name="I2C编程要点"></a> 对主机的I2C进行编程，即开发I2C驱动。I2C驱动通常需要至少三个函数：I2C初始化函数、I2C数据发送函数与I2C数据接收函数。 ### 3.1.I2C初始化函数<a name="I2C初始化函数"></a> I2C初始化函数用来初始化主机的I2C，通常在主机初始化任务中调用，I2C初始化函数的编程要点： 1.I2C工作模式，通常是标准模式（最大100kbps），快速模式（最大400kbps），高速模式（最大3.4Mbps）中的一种。 2.I2C波特率配置，I2C波特率通常由时钟分频系数、数据有效延迟、建立保持延迟、时钟高电平周期、时钟低电平周期、总线空闲超时等组成，需要根据芯片参考手册将波特率设置为一个合理的值。 3.使能/禁止10位从机地址（不常用），使能/禁止过滤脉冲尖刺（常用）。 ### 3.2.I2C数据发送函数<a name="I2C数据发送函数"></a> I2C数据传输函数用来给从机发送数据，通常在主机周期性任务中调用，I2C数据传输函数的编程要点： 1. 因为一个I2C主机可以驱动多个从机，因此从机的地址信息通常需要作为I2C数据发送函数的一个参数。 2. 因为I2C主机与从机之间通信的数据长度是不确定的，因此数据长度通常需要作为I2C数据发送函数的一个参数。还需要一个参数存放主机发往从机的数据，存放数据的参数可以使用uint8指针或者数组。 3. 如果采用阻塞方式发送数据，则还需要一个超时参数，当等待的时间超过这个参数时，函数返回超时状态。如果在超时参数以内发送完成，则返回发送成功状态。 ### 3.3.I2C数据接收函数<a name="I2C数据接收函数"></a> I2C数据接收函数用来接收数据，通常在周期性任务中调用，I2C数据接收函数的编程要点： 1. 因为一个I2C主机可以驱动多个从机，因此从机的地址信息通常需要作为I2C数据接收函数的一个参数。 2. 因为I2C主机与从机之间通信的数据长度是不确定的，因此数据长度通常需要作为I2C数据接收函数的一个参数。还需要一个参数存放待接收到的数据，存放数据的参数可以使用uint8指针或者数组。 3. 如果采用阻塞方式接收数据，则还需要一个超时参数，当等待的时间超过这个参数时，函数返回超时状态。如果在超时参数以内接收完成，则返回接收成功状态。 ## 四.I2C的优缺点<a name="I2C的优缺点"></a> 任何一种通信方式都有优缺点，I2C通信也不例外。 ### 4.1.I2C的优点<a name="I2C的优点"></a> - I2C只需要使用两根线，硬件结构比较简单。 - I2C支持多个主机和多个从机，组网比较简单。 - I2C的ACK/NACK位用于确认每一帧都已成功传输，通信可靠。 - I2C芯片输入内含buffer（过滤脉冲尖刺），因此稳定性好。 ### 4.2.I2C的缺点<a name="I2C的缺点"></a> - I2C波特率较低，因此通信速率较慢。 - I2C数据帧的大小限制为8位，需要传输8位以上数据时比较繁琐。 ## 五.I2C的典型应用<a name="I2C的典型应用"></a> I2C的典型应用有： - IO扩展，比如一些I2C接口的ADC芯片与DAC芯片可以扩展单片机的AD输入与DA输出。 - 传感器，比如一些I2C接口的压力传感器、温度传感器、加速度传感器等。 - 显示驱动，比如一些I2C接口的LCD驱动芯片等。 - 电源管理，比如一些I2C接口的电源管理芯片。 - 存储器，比如一些I2C接口的EEPROM芯片，FRAM芯片、FLASH芯片等。
