I2C总线的简单理解

I2C总线简介

I2C总线是一种简单双向二进制同步串行总线，其只需要两根双向I/O线即可以实现连接在总线上的器件之间的信息传递。

I2C总线包含两根双向I/O线：SCL（serial clock）线和SDA（serial data line）线，当总线处于空闲状态时SCL和SDA为高电平，其结构如下：

I2C总线术语

术语

描述

发送器

发送数据到总线上的器件

接收器

从总线上接收数据的器件

主机

初始化发送、产生时钟信号、终止发送的器件

从机

被主机寻址的器件

多主机

同时又多于一个主机尝试控制总线，但不破坏报文

同步

两个以上器件同步时钟的信号的过程

仲裁

有多个主机尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏的过程

I2C总线同步和仲裁

注意到SDA和SCL线都是漏极开路结构（OD），当总线空闲时其为高电平，但只要连接到总线上的任一器件输出低电平，总线就会变成低电平。这就是说总线上任一器件的SDA/SCL和总线是“与”的关系。

多主机尝试控制总线，它们都会输出自己的SCL到总线上，而总线的SCL就是多主机的SCL相互与的结果。总线SDA上的数据只有在总线SCL为高电平时有效。由于总线上的任一器件和总线的关系是“与”。也就是说有任一器件发出低电平，总线都会变成低电平。换句话说就是任一器件提出反对意见（低电平），总线SDA上的数据都是无效的。

因此，同步我的理解就是大家都允许才开始抢占控制总线的时间段。

在多主机都允许开始，总线SCL表现为高电平，即总线SDA是有效的。这时候总线仲裁就变为SDA的仲裁了。同样由于“与”的关系，一旦其他主机发送低电平，总线SDA会表现为低电平，如果有发送高电平的主机，那么它将断开数据输出级。只能淘汰高电平或低电平主机，但因为此时总线SDA表现为低电平，如果要报文不破坏就只能淘汰高电平的主机。

SDA仲裁可以持续多位，如果起始条件一致，那就接着仲裁地址位，如果地址位一致，那就接着仲裁下一位。这样的仲裁就不会破坏报文。

 

通俗点说，仲裁分为两个部分：仲裁SCL和仲裁SDA。仲裁SCL表现为寻找多主机都同意总线SDA有效的时间点，即同步。仲裁SDA表现为淘汰掉破坏报文者，即主机发送内容与总线上的内容不一致者。

I2C总线起始条件和终止条件

起始条件：总线SCL高电平，SDA从高电平变为低电平时。

终止条件：总线SCL高电平，SDA从低电平变为高电平时。

注：当SDA在传输数据时，如果其需要转换电平，那么SCL必须先拉低为低电平。

I2C总线的字节格式和响应

发送到总线SDA上的每个字节必须为8位，每个字节后面必须跟一个响应位。每次传输发送的字节数不限。

发送器在发送完一个字节后会释放掉总线SDA，在第九个时钟，接收器可以响应一个ACK，即拉低总线SDA电平，这称为响应。当然接收器也可以不响应，但第九个时钟的位置称为响应位。

I2C总线写过程

（1）主机发出起始条件：SCL为高电平，SDA从高电平变为低电平

（2）主机发送欲寻址器件的地址（7bit）和写操作0（1bit），等待ACK

（3）从机响应ACK

（4）主机发送寄存器地址（8bit），等待ACK

（5）从机响应ACK

（6）主机发送数据（8bit），即要写入寄存器的数据，等待ACK

（7）从机响应ACK

（8）步骤（6）和（7）重复多次

（9）主机发出终止条件：SCL为高电平，SDA从低电平变为高电平

I2C总线读过程

（1）主机发出起始条件：SCL为高电平，SDA从高电平变为低电平

（2）主机发送欲寻址器件的地址（7bit）和读操作1（1bit），等待ACK

（3）从机响应ACK

（4）主机发送寄存器地址（8bit），等待ACK

（5）从机响应ACK

（6）主机发出起始条件

（7）主机发送欲寻址器件的地址（7bit）和读操作1（1bit），等待ACK

（8）从机响应ACK

（9）从机发送寄存器数据（8bit），等待主机ACK

（10）主机发送ACK

（11）步骤（9）和步骤（10）重复多次

（12）主机发送NACK

（13）主机发出终止条件：SCL为高电平，SDA从低电平变为高电平