I2C 通信协议

I2C 是一种半双工系统内部协议，即在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。其支持 3 种传输模式，本文不对 3 种传输模式展开，仅分析基本原理。

一、物理层

I2C 通信设备之间的常用连接方式如下：

一条 I2C 总线包含两条线路：
- SDA：双向串行数据线，用来传输数据
- SCL：串行时钟线，用来同步时钟
一条 I2C 通信总线可以连接多个 I2C 通信设备，包含多个主机或从机
每个总线上的设备都有一个独立的地址，主机利用这个地址访问不同的从机设备
总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平
多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制
I2C 总线具有 3 种传输模式：
1. 标准模式：100kbps
2. 快速模式：400kbps
3. 高速模式：3.4Mbps，目前大多数 I2C 设备尚不支持

关于 I2C 为什么使用上拉电阻，有下面 3 个原因（数电知识）：

不同于 RS-232 为异步通信需要设置波特率，I2C 拥有一条时钟线，为同步传输，其数据有效性如下：

I2C 的通信过程是由主机发起的，支持主机写数据到从机和主机在从机中读数据，其过程如下图：

从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)：其实信号产生后所有从机开始等待主机接下来的广播。与主机广播地址相同的设备被选中等待接下来的信号，其余设备会忽略接下来的信号。这个从机地址可以是7位或10位
传输方向的选择位：该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据
ACK 响应位：被选中的从机在知晓传输方向后会返回一个应答 Ack 信号，主机在收到 Ack 后进入传输数据状态：发送数据或等待接收
下面从读数据和写数据两个角度分析后续过程：
- 写数据：主机接收到从机的应答 ACK 信号后开始发送数据，每个数据包大小为 8 bits, 主机每发送一个数据包，等待从机应答信号 ACK，并重复这个过程
- 读数据：主机接收到从机的应答 ACK 信号后开始接收数据，从机开始发送数据，每个数据包也是 8 bits，从机每发送一个数据包要等待主机的应答信号 ACK，并重复这个过程。倘若主机希望停止接收数据，会发送一个非应答信号 NACK，从机接收到需停止发送
停止信号 P：当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。