簡單優雅的匯流排協議——I2C
這是IC君的第16篇原創文章 （同步於公眾號 icstudy）
IC君前一篇文章提到的NXP的datasheet如何閱讀datasheet，描述了一個I2C協議傳輸的EEPROM。這篇文章我們就來聊一聊I2C匯流排協議。I2C（Inter－Integrated Circuit）匯流排是80年代PHILIPS公司開發的
兩線式
序列匯流排，如今已經成為晶片間
低速
序列通訊的事實標準，被廣泛使用在消費、控制類電子裝置場合。這裡的兩個關鍵詞
兩線
和
低速
：
兩線
意味著結構簡單，
低速
意味著好實現，做電路的都知道速度越慢電路實現起來就越容易，而且協議方式也很優雅。一個簡單、優雅、好實現、應用又廣泛的電路協議是不是有必要了解一下呢？
IC君當年簡歷裡面就寫了曾經研究過I2C匯流排，有些面試官還挺感興趣哦！
下圖是一個典型的嵌入式系統的I2C匯流排應用，系統包含了很多slave從器件，最左邊的微控制器是I2C的主器件，它控制了I/O擴贊器、LED閃光燈、ADCs/DAC、EEPROM、LCD驅動器、溫度放大器等。
所有這些器件都是透過2根線：時鐘SCL和資料SDA來控制。
I2C匯流排使用的是開漏結構，這樣它可以進行資料的雙向傳輸。下圖是一個SDA/SCL線的基本結構，如果Slave或者Master內部的邏輯要用SDA/SCL線的時候，會透過內部的NMOS把SDA/SCL線下拉為地或者0；如果沒有Slave或者Master使用SDA/SCL線的時候，上拉電阻Rpu會把SDA/SCL上拉為VDD或high。
總線上有這麼多器件，顯然需要靠地址來確定訪問哪一個器件。主器件與從器件的通訊需要傳送一個開始條件和一個結束條件。如下圖所示：
開始條件：
SCL high， SDA high-to-low 轉換
結束條件：
SCL high， SDA low-to-high 轉換
開始條件傳送之後，就可以傳輸資料了，如下圖所示I2C協議要求：
傳輸時鐘SCL high期間，資料線SDA必須保持穩定;
SDA變化相對於SCL的go high 沿有setup時間的要求;
SDA 變化相對於SCL go low 沿有hold 時間的要求;
在SCL low 期間，資料SDA才能改變。
而且這裡的setup/hold 時間量級是
微秒級的或者幾百納秒，
慢速有點體會了吧，一般I2C的頻率最快也就1Mhz左右。所以I2C總線上的從器件一般不適合高速數字邏輯電路。
下圖中傳輸的資料是0xAAh， 一般地址定義為7位（支援127種不同的IIC裝置，如果需要更多器件可以擴充套件地址），第8位表示讀還是寫，最後還會跟一個ACK或NACK，如果從器件A的地址為1010101，
A說我現在有空，趕緊過來撩我吧，它會把SDA下拉到low；
A說我現在沒空，不想理你，它就不會下拉SDA，主器件那邊有上拉電路把SDA拉到high。
下圖就是一個完整的定址、輸入資料寫到一個從器件的過程。其中灰色表示主器件控制SDA線，白色表示從器件控制SDA。A6-A0是用來定址從器件的，相當於地圖上一棟樓的名字；B7-B0是從器件自己內部的地址，相當於這棟樓內部的某個房間；D7-D0是往這個房間裡面送東西。這裡是為了形象理解，樓可以直接替換為EEPROM。
注意器件地址後面跟了一個R/W bit，這裡置為“0”表示寫。每一個byte資料後面都有一個ACK/NACK，來確認從器件現在是不是有空；上面的圖只顯示輸入了一個byte，主器件可以寫入更多的byte資料，只要不傳送結束條件。
下面是一個主器件到從器件中讀取資料的過程，與上面的寫過程非常類似。其中灰色表示主器件控制SDA線，白色表示從器件控制SDA。
具體執行過程：
step1 ：START+器件地址（R/W bit 置為0，執行寫）+暫存器地址；
step2 : 重複START+器件地址（R/W bit置為1，執行讀）+從器件輸出data（1個或多個byte）+STOP。
step1 是為了設定暫存器地址，相當於告訴你門牌號；step2 是去讀這個暫存器地址指向的內容，也就是去這個門牌號指示的地方。
step1+step2的過程也可以稱為隨機讀；
如果沒有step1，直接執行step2就是
順序讀
的操作，如下圖所示，因為每次讀寫1個byte內部的暫存器地址都會加1，所以順序讀就是以上次讀寫之後的暫存器地址為起點，繼續讀下去。
然有的I2C還支援一些奇怪的指令，這個要看具體的產品。
基本上I2C通用的讀和寫的操作就講完了，來個總結：
I2C最大的優點是結構簡單，2根線完美連線所有器件。缺點是速度太慢，最快也就幾 Mbps左右，而且每傳一個BYTE就要ACK/NACK，感覺也挺煩的。
有沒有既簡單又不那麼慢的序列匯流排協議呢？確實有，SPI （Serial Peripheral Interface）協議，後面IC君也會重點介紹它
基礎概念講完了，後續文章會找一些電路和程式碼來繼續分析I2C協議，敬請期待~
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