蓝桥杯【物联网】零基础到国奖之路:九. I2C

第一节 I2C概念

中文叫集成电路总线，是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司1980年代初设计，方便主板、嵌入式系统或手机与周边组件通讯。因为简单被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器等之间的通信。
I2C总线支持任何IC生成过程。每个器件都有唯一的地址识别，都可以作为一个发送或接收器。
主设备生成总线时钟，所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可以通过唯一的地址进行软件寻址。
I2C是真正的多主，多从设备总线，可提供仲裁和冲突检测。在一般项目中一般使用一主多从的模式。
I2C传输速度只有三种模式：标准模式（100kbit/s）;快速模式（400kbit/s）和高速模式（3.4Mbit/s）。
SDA是串行数据总线，而SCL是串行时钟线的缩写。都要接收上拉电阻。
使用I2C可以将多个从机连接到单个主设备，也可以用其他的连接。
I2C分为软件I2C和硬件I2C，软件是指用单片机的两个IO端口模拟的I2C，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟jicunqi的工作方式。硬件I2C指一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的外设，有对应的I2C驱动电路，所使用的I2C管脚也是专用的，硬件I2C直接调用内部寄存器进行配置。硬件I2C的效率要高于软件，而软件则不受管脚限制，接口比较灵活。

第二节 I2C的物理层

I2C一共有两根总线：一条是双向的串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。SDA是数据线，D表示DATA。SCL是时钟线，C代表Clock，就是控制数据发送的时序的。
所有连接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL都接到总线的SCL上。I2C总线上的每一个设备都有自己的一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。
通常将I2C设备分为主设备和从设备，谁控制时钟线SCL谁就是主设备。I2C主设备功能是产生时钟信号，产生起始信号和停止信号。I2C从设备功能是可编程的I2C地址检测，停止位检测。
I2C的一个优点是支持多主控，其中任何一个能够进行发送接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。任何时间点上只能有一个主控。
SCL和SDA都需要借上拉电阻（一般3.3k到10k之间）保证数据稳定性，减少干扰。
I2C是半双工，同一时间只可以单向通信。
为避免总线信号混乱，I2C空闲状态只能有外部上拉，此时空闲设备被拉到高组态，相当于断路，只有开启了设备才会正常进行通信，不会干扰其他设备。
每一个I2C器件都有一个器件地址，有的器件地址出厂就设定好了，不可更改，比如OV7670的地址为0x42；有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定好为1010，后三个地址由硬件连接决定，所以I2C总线最多能连8个EEPROM芯片。

第三节 I2C的协议层

I2C总线在传播数据的过程中共有三种信号（开始信号，结束信号，应答信号）。
开始信号：SCL为高电平，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据
结束信号：SCL为高电平，SDAy有低电平向高电平跳变，结束传送数据
应答信号：接收数据的IC在接受到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据情况作出是否继续传递信号的判断。没有收到应答信号，则判读为受控单元故障。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。
I2C的通信协议流程：
1. 开始信号
SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时（>4.7us），SCL变为低电平。
2. 停止信号
SCL保持高电平，SDA由低电平变为高电平。在起始条件后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。
3. 数据有效性
I2C信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平时，数据线上的高低电平在允许变化。
SCL=1时，数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。也就是在I2C传输数据的过程中SCL时钟会频繁的切换电平，以保证数据的传输。
4. 应答信号
每当主机向从机发完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据。
应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答。
应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK），表示接收器已经成功接收到了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
每发送一个字节（8bit）在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须返回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。
应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答。
5. 数据传送格式
当一个字节数据位从高位到低位的顺序传输完成之后，紧接着从设备拉低SDA线，回传给主设备一个应答位，此时才认为一个字节真正的被传输完成，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已经正确接收到数据。
I2C每一帧数据由9bit组成，如果是发送数据，则包含8bit+1bitACK；如果是设备地址，则8bit设备地址+1bit方向。