I2C总线协议分析

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设备之间通信。I2C的两根线SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出，需通过上拉电阻接电源VCC，当总线空闲时，两根线都是高电平。

常见的硬件结构图（一个适配器，两根线，若干设备而已）

使用I2C通信时，必须指定主从设备，一般包含有I2C控制器的处理器被配置成主设备，挂接在i2c总线上的外设作为从设备。通信开始都是由主设备发起的，在i2c总线上的每个设备都有一个7bit位的地址，称为i2c设备地址。

主设备如何发起开始和停止通信信号？

在SCL线为高电平时，将SDA线由高拉低，即发出一个start开始信号；当SCL为高电平时，将SDA由低拉高，即发送一个stop停止信号；那么这些操作都是由主设备的I2C控制器完成的。

I2C总线上有很多的设备，如何保证一对一的通信？

在I2C总线上的每个设备都有一个7bit位的地址，在I2C总线处于空闲状态时，如果有主设备想发起通信，那么将由它先发出一个start信号占有总线，紧接着发送这个主设备想要进行通信的从设备的7bit位的地址，这个地址在I2C总线上处于广播状态，即总线上的所有设备都能看到这个地址，如果某一个从设备发现总线上传输的地址和自己的设备地址一样，那么就发送一个应答信号，这时主从设备间的通信就建立了，这个时候I2C总线将处于busy状态，其他的设备无法再使用总线，从而在总线上建立了一个一对一的通信。当通信结束时，由主设备发送一个stop信号，释放总线，其他的设备就可以再次占用总线通信了。

I2C上的主从设备如何通信？

在I2C总线上传输的数据都是8bit位为单位的，所以当主机要往从机写数据时时序如下：

1. 发送start信号

2. 发送7位地址+1个读写位0（0表示写，1表示读）

3. 从机收到地址后，发送ACK应答信号

4. 主机收到应答信号后发送要写的8位数据

5. 若从机收到主机发送的数据，发送ACK应答信号

6. 如果主机要继续写，那么回到步骤4，如果写完了那么发送stop信号，终止通信

当主机要从从机读取数据时时序如下：

1. 发送start信号

2. 发送7位地址+1个读写位1（0表示写，1表示读）

3. 从机收到地址后，发送ACK应答信号

4. 主机收到应答信号后等待接收从机的数据

5. 从机发送主机要读取的数据

6. 若主机收到从机发送的数据，发送ACK应答信号

7. 如果主机要继续读，那么回到步骤4，如果读完了那么发送stop信号，终止通信

那么在具体的使用场景中是什么样子呢？从机设备内部往往有很多寄存器，如何读写这些寄存器呢？以RPR0521这个sensor作为从设备的实例进行分析：

主机写RPR0521中某个寄存器（寄存器的地址是8位的，寄存器中数据也是8位的）

1. 主机发送完7位的从机地址和写位

2. 主机发送8位的要写的从机的内部寄存器地址

3. 从机收到后发送ACK

4. 主机收到ACK后，然后发送要往这个寄存器写的数据

5. 如果主机不继续写数据就直接发送stop，如果还要往下一个寄存器继续写（寄存器地址必须连续）那么回到步骤4发送下一个数据，直到写完发送stop

主机读RPR0521中某个寄存器的值（寄存器的地址是8位的，寄存器中数据也是8位的）

1. 主机发送完7位的从机地址和写位（一定要注意，先写然后读）

2. 主机发送8位的要读的从机的内部寄存器地址（用于确定要读的寄存器的地址）

3. 从机收到后发送ACK

4. 主机收到ACK后发送7位的从机地址和读位，然后等待接收数据

5. 主机收到ACK和从机发送过来的数据

6. 如果主机不读了就发送stop，如果继续读就回到步骤5（从机会自动发送连续寄存器的数据）

常用debug手段

在实际项目中，通常会出现读不到数据，那么我们就需要debug，最常见的debug手段就是使用示波器抓时序，下图是I2C数据传输的时序：

SDA的数据在SCL位高电平时保持稳定，在SCL为低电平时数据改变，所以我们应该在时钟周期的高电平期间读取有效数据进行分析。

以上是我总结的I2C总线的基本协议，如有不足欢迎指出，谢谢阅读！