一篇文章讲透I2C总线协议_暗记_旗子

I2C由两条双向开漏线组成，这是一个很大的上风，接线大略。
两条线利用上拉电阻将电位上拉。
范例电位为+3.3V或+5V。
标准传输速率为100Kb/s，低速模式10Kb/s。

下图为I2C总线的物理拓扑图，大家可以看到一共只有两条总线，一条SDA(serial data)数据线用来承载数据、一条SCL(serial clock line)时钟线用来掌握数据收发时序。
所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上，SCL都接到了总线的SCL上。
每个设备都有自己的唯一地址，以担保设备之间访问的准确性。

I2C总线的物理拓扑图

I2C在物理层的连接可以说是非常大略，这也是它最大的上风，事理便是通过掌握SDA和SCL线的高低电平时序，来产生I2C总线协议所须要的旗子暗记进行数据传输。
在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。

须要把稳的是I2C的通讯办法为半双工，由于只有一条数据线，某一时候只可能单向通讯。
这也解释了I2C不适宜大数据量的传输运用。

对付主机、从机的区分很大略，发布紧张命令的便是主机，接管命令的便是从机，同一条I2C总线许可多个主机的存在。

作为根本我们先来理解几个主要的小观点。

1、初始状态(即空闲状态)：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；2、开始旗子暗记：当SCL为高电平的时候，SDA被拉低，此为开始旗子暗记，表明通讯开始。
3、终止旗子暗记：当SCL为高电平的时候，SDA被拉高，此为终止旗子暗记，表明本次通讯结束。

到这里大家有没有创造点什么？当SCL处于高电平的时候，SDA电平一旦变革就会是一种旗子暗记，要么开始要么是终止。
以是在数据传输过程中，SCL处于高电平时，SDA必须保持状态稳定，只有SCL处于低电平时SDA才可以变革。

4、应答旗子暗记：当发送器向吸收器发送完一个字节/8位数据后，第9个时钟周期内，吸收器必须给发送器一个应答旗子暗记，这样数据才算传输成功。
高电平表非应答，低电平表应答。

我们理解这几个旗子暗记状态后，来一步一步看看数据是如何传输的。

1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始旗子暗记+设备地址(7位)+读/写(1位)+等待从机应答+寄存器地址(8位)+等待从机应答+要写的数据(8位)+等待从机应答+终止旗子暗记。
下图为24C02 EEPROM存储器写数据的时序图。

2、写我们见识了，那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图，是不是一览无余了。
值得把稳的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1。
这里说一下为什么末了是NO ACK，在“读”这个操作下，主机为吸收器，主机的NO ACK表示停滞吸收24C02的数据，不然24C02会连续发。

3、我们再读一个长一点的：下图为读取24C02任意地址一个字节数据的时序图。
开始旗子暗记+设备地址(7位)+写(1位)+等待从机应答+数据地址(8位)+等待从机应答。
前面这一步为假写，目的是见告24C02要读哪个地址的数据。
连续，开始旗子暗记+设备地址(7位)+读(1位)+等待从机应答+读到的数据(8位)+等待主机(吸收机)应答+终止旗子暗记。

补点干货

1、设备的地址。
I2C设备的地址为8位，但是时序操作时末了一位不属于地址，而是读or写状态位。
这便是为什么arduino的SH1106库里操作的地址不是0x7-而是0x3-，由于有用的是前7位，地址整体右移一位处理了。
再一个设备地址的前四位是固定去世的，是厂家用来表示设备类型的，比如接口为I2C的温度传感器类设备地址前四位一样平常为1001即9X、EEPROM存储器地址前四位一样平常为1010即AX、oled屏地址前四位一样平常为0111即7X等等。

2、I2C接口的致命缺陷便是传输间隔近同时速率慢。
大家在利用I2C总线接口的时候牢记不要长线传输，只管即便只在PCB板内传输，不然偶尔丢数据乃至读不到数据会让人崩溃，不要问我是怎么知道的，问只有眼泪。

3、关于两线为什么设计成开漏，这个问题我记得我之前在写《STM32单片机I/O的8种事情模式》时给大家埋下过伏笔。
本日就来说一下详细缘故原由。
紧张有两点①防止短路：大家想想如果不设为开漏，而设为推挽，几个设备连在同一条总线上，这时某一设备的某个IO输出高电平，另有一台设备的某一个IO输出低电平，这时你会创造这两个IO的VCC和GND短路了；但是开漏就不会有这个问题，如下图示：

第二个缘故原由是“线与”，我们想个场景：如果总线上的一个A设备将SDA拉高，这时总线上另一个B设备已将SDA拉低，这时由于1&0=0，以是A设备检讨SDA的时候会创造不是高电平而是低电平，这就表明总线上已经有其他设备占用总线了，A只好放弃，如果检测是高电平那就可以利用。
如下图示为24C02芯片内部图，可以看到状态检测脚。

总结

I2C总线作为一个常见的总线协议，是非常值得我们来仔细研究琢磨的，通透往后我们再利用任意I2C接口的设备时就可以信手拈来了。
我一贯以为在学习的过程中，“会利用”不一定便是我们追求的终点，会用的同时把一些更深的东西搞懂搞透会收成意想不到的喜悦。

PS.近期会有开源项目推出，敬请期待~

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