一、 IIC协议

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。 I2C 通讯协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行 AD，图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的 X 射线管配置等等。除此之外，由于 I2C 协议占用引脚特别少，硬件实现简单，可扩展型强，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路 (IC)间的通讯。IIC数据传输速率有标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps），另外一些变种实现了低速模式（10 kbps）和快速+模式（1 Mbps）。

下图是一个基于FPGA的主机仅通过2根线的IIC总线控制多个IIC外设的典型应用图：
在这里插入图片描述

二、IIC协议解析

1.特点

1、它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
2、一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
3、每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
4、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。
5、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

2.规定

在时钟（SCL）为高电平的时候，数据总线（SDA）必须保持稳定，所以数据总线（SDA）
在时钟（SCL）为低电平的时候才能改变。
在这里插入图片描述

 在时钟（SCL）为高电平的时候，数据总线（SDA）由高到低的跳变为总线起始信号，在时钟（SCL）为高电平的时候，数据总线（SDA）由低到高的跳变为总线停止信号。

在这里插入图片描述

 应答，当 IIC 主机（不一定是发送端还是接受端）将 8 位数据或命令传出后，会将数据总线（SDA）释放，即设置为输入，然后等待从机应答（低电平 0 表示应答，1 表示非应答），此时的时钟仍然是主机提供的。

在这里插入图片描述
数据帧格式，I2C 器件通讯的时候首先是要发送“起始信号”，紧跟着就是七位器件地址，第八位是数据传送方向位（0：代表写，1：代表读），再后面就是等待从机的应答。当然传送结束后，“终止信号”也是由主机来产生的。发送数据的时候是高位先发送。

3.器件地址

每个 I2C 器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设置好了，用户不可以更改（例如 OV7670 器件地址为固定的 0x42），有的确定了几位，剩下几位由硬件确定（比如常见的 I2C 接口的 EEPROM 存储器，留有 3 个控地址的引脚，由用户自己在硬件设计时确定）。严格讲，主机不是直接向从机发送地址，而是主机往总线上发送地址，所有的从机都能接收到主机发出的地址，然后每个从机都将主机发出的地址与自己的地址比较，如果匹配上了，这个从机就会向总线发出一个响应信号。主机收到响应信号后，开始向总线上发送数据，与这个从机的通讯就建立起来了。如果主机没有收到响应信号，则表示寻址失败。通常情况下，主从器件的角色是确定的，也就是说从机一直工作在从机模式。不同器件定义地址的方式是不同的，有的是软件定义，有的是硬件定义。

I2C 协议在进行数据传输时，主机需要首先向总线上发出控制命令，其中控制命令就包含了从机器件地址和读写控制，然后等待从机响应。如图所示为 I2C 控制命令传输的数据格式。

在这里插入图片描述
I2C 传输时，按照从高到低的位序进行传输。控制字节的最低位为读写控制位，当该位为 0 时表示主机对从机进行写操作，当该位为 1 时表示主机对从机进行读操作。

4.存储地址

每个支持 I2C 协议的器件，内部总会有一些可供读写的寄存器或存储器，例如，EEPROM 存储器，内部就是顺序编址的一系列存储单元；型号为 OV7670 的 CMOS 摄像头（OV7670 的该接口叫 SCCB 接口，其实质也是一种特殊的 I2C 协议，可以直接兼容 I2C 协议），其内部就是一系列编址的可供读写的寄存器。因此，我们要对一个器件中的存储单元（寄存器和存储器，以下简称存储单元）进行读写，就必须要能够指定存储单元的地址。I2C 协议设计了有从机存储单元寻址地址段，该地址段为一个字节或两个字节长度，在主机确认收到从机返回的控制字节响应后由主机发出。地址段长度视不同的器件类型，长度不同，具体是一个字节还是两个字节，与器件的存储单元数量有关。下方图 1 和图2 分别为 1 字节地址和 2 字节地址器件的地址分布图
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

三、IIC写时序

1.单字节写时序

不同器件，I2C 器件地址字节不同，这样对于 I2C 单字节写时序就会有所差别，下图 1 和下图 2 分别为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件单字节写时序图。

在这里插入图片描述

根据时序图，从主机角度来描述一次写入单字节数据过程如下：
单字节地址写单字节数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的数据；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。
双字节地址写单字节数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据高字节；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据低字节；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的数据；
10、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
11、读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。

2.连续写时序（页写时序）

注：I2C 连续写时序仅部分器件支持。
连续写（也称页写，需要注意的是 I2C 连续写时序仅部分器件支持）是主机连续写多个字节数据到从机，这个和单字节写操作类似，连续多字节写操作也是分为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件的写操作，下图 1 和下图 2 分别为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件连续多字节写时序图。

在这里插入图片描述

根据时序图，从主机角度来描述一次写入多字节数据过程如下：
单字节地址器件连续多字节写数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的第 1 个数据；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的下一个数据；
10、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；n 个数据被写完，转到步骤 11，若数据未被写完，转到步骤 9；
11、读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。

双字节地址器件连续多字节写数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据高字节；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据低字节；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的第 1 个数据；
10、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
11、读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的下一个数据；
12、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；n 个数据被写完，转到步骤 13，若数据未被写完，转到步骤 11；
13、读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。
注：对于 AT24Cxx 系列的 EEPROM 存储器，一次可写入的最大长度为 32 字节。

四、IIC读时序

1.单字节读时序

同样的，I2C 读操作时序根据不同 I2C 器件具有不同的器件地址字节数，单字节读操作分为 1 字节地址段器件单字节数据读操作和 2 字节地址段器件单字节数据读操作。下图 1和下图 2 分别为不同情况的时序图。

在这里插入图片描述
根据时序图，从主机角度来描述一次读取单字节数据过程如下：
单字节地址读取单字节数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机发起起始信号；
8、主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的一个字节的数据；
10、产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总线会被自动拉高）；
11、主机产生 STOP 位，终止传输。
双字节地址读取单字节数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据高字节；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据低字节；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机发起起始信号；
10、主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作；
11、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
12、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的一个字节的数据；
13、主机设置 SDA 输出，产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总线会被自动拉高）；
14、主机产生 STOP 位，终止传输。

2.连续读时序（页读取）

连续读是主机连续从从机读取多个字节数据，这个和单字节读操作类似，连续多字节读操作也是分为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件的读操作，下图 1 和下图 2 分别为字节地址段器件和 2 字节地址段器件连续多字节读时序图。
在这里插入图片描述

根据时序图，从主机角度来描述一次读取多字节数据过程如下：
单字节地址器件连续多字节读取数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机发起起始信号；
8、主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作；
9、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
10、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的第 1 个字节
的数据；
11、主机设置 SDA 输出，发送一位应答信号；
12、设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的下一个字节的数据；若 n 个字节数据
读完成，跳转到步骤 13，若数据未读完，跳转到步骤 11；（对于 AT24Cxx，一次读
取长度最大为 32 字节，即 n 不大于 32）
13、主机设置 SDA 输出，产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总
线会被自动拉高）；
14、主机产生 STOP 位，终止传输。
双字节地址器件连续多字节读取数据过程：
1、主机设置 SDA 为输出；
2、主机发起起始信号；
3、主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；
4、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
5、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据高字节；
6、主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
7、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输地址数据低字节；
8、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
9、读取应答信号成功，主机发起起始信号；
10、主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作；
11、设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；
12、读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的第 1 个字节的数据；
13、主机设置 SDA 输出，发送一位应答信号；
14、设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的下一个字节的数据；若 n 个字节数据读完成，跳转到步骤 15，若数据未读完，跳转到步骤 13；（对于 AT24Cxx，一次读取长度最大为 32 字节，即 n 不大于 32）
15、主机设置 SDA 输出，产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总线会被自动拉高）；
16、主机产生 STOP 位，终止传输。