一、I2C总线
1.1、I2C总线简介
IIC(Inter-Integrated Circuit)
总线是一种由
PHILIPS
公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。它是由数据线 SDA
和时钟线
SCL
构成的串行总线，可发送和接收数据，在 CPU
与被控
IC
之间、
IC
与
IC
之间进行双向传送。
IIC
总线有如下特点：
（1）总线由数据线
SDA
和时钟线
SCL
构成的串行总线，数据线用来传输数据，时钟线用来
同步数据收发。
（2）总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，所以我们只需要知道器件的地址，根据时
序就可以实现微控制器与器件之间的通信。
（3）数据线
SDA
和时钟线
SCL
都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电
压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。
（4）总线上数据的传输速率在标准模式下可达
100kbit/s
在快速模式下可达
400kbit/s
，在高速
模式下可达
3.4Mbit/s
。
（5）总线支持设备连接。在使用
IIC
通信总线时，可以有多个具备
IIC
通信能力的设备挂载
在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容
400pF
的限制决
定。
IIC
总线挂载多个器件的示意图，如下图所示：
1.2、I2C总线协议详解
上图为I2C总线时序图，为了便于大家更好的了解
I2C
协议，从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、 数据传输以及空闲状态等 6
个方面讲解，大家需要对应上图中的
标号来理解。
① 起始信号
当
SCL
为高电平期间，
SDA
由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是 一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。
② 停止信号
当
SCL
为高电平期间，
SDA
由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。
③ 应答信号
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲
9
期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK
简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；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。观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第 9
个时钟脉冲之前的低电平期间将 SDA
线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个 NACK
信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放
SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。
④ 数据有效性
IIC
总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在 SCL
的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
⑤ 数据传输
在
I2C
总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在
SCL
串行时钟的配合下，在 SDA
上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
⑥ 空闲状态
IIC
总线的
SDA
和
SCL
两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
了解前面的知识后，下面介绍一下
IIC
的基本的读写通讯过程，包括主机写数据到从机即写操作，主机到从机读取数据即读操作。下面先看一下“写”操作通讯过程图：
主机首先在 IIC 总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0(写操作)组成的 8bit 数据，所有从机接收到该 8bit 数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。
注意：IIC 总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。
下面讲解“读”操作：
主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现， 都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1(
读操作
)
组成的
8bit
数据，从机接收到数据验 证是否是自身的地址。 那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回 8bit
数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从 机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte +
应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。
二、I2C驱动
2.1、I2C驱动作用
I2C驱动是操作系统或固件中的软件组件，它提供了与I2C硬件接口交互的抽象层。驱动的主要作用包括：
（1）设备初始化：配置I2C设备的寄存器，设置通信参数，如速度、地址和中断。
（2）数据传输：实现数据发送和接收的功能，包括启动条件、写入和读取数据。
（3）地址管理：管理I2C总线上设备的地址，确保正确识别和通信。
（4）错误处理：检测和处理通信错误，如超时、应答错误和数据冲突。
（5）中断管理：处理I2C设备的中断请求，如数据传输完成、错误发生等。
（6）流控制：实现I2C协议的流控制机制，确保数据传输的可靠性。
（7）多主机管理：在多主机环境中管理总线访问，避免冲突。
（8）设备发现：扫描I2C总线，发现并识别连接的设备。
（9）电源管理：控制设备的电源状态，如进入低功耗模式。
2.2、I2C驱动的实现
I2C驱动通常包括以下组件：
（1）硬件抽象层（HAL）：提供与特定硬件平台相关的接口。
（2）设备驱动模型：操作系统提供的框架，用于管理设备的生命周期和状态。
（3）中断服务例程（ISR）：处理I2C设备的中断事件。
（4）API接口：提供给应用程序的接口，用于执行I2C操作，如读写数据。
（5）数据缓冲区：用于存储I2C通信过程中的临时数据。
（6）配置和状态寄存器：用于控制I2C设备的行为和状态。
I2C驱动是嵌入式系统和物联网设备中不可或缺的部分，它使得设备能够通过简单的串行接口进行高效的数据交换。随着技术的发展，I2C协议已经成为许多微控制器和传感器的标准通信接口。
2.3、I2C与ICC协议对比
| 特性 | IIC (I2C) | I2C (I2C V2) |
| 版本 | 第一代 | 第二代 |
| 速度 | 标准模式：100 kbps<br>快速模式：400 kbps<br>高速模式：3.4 Mbps | 标准模式：100 kbps<br>快速模式：400 kbps<br>高速模式：3.4 Mbps<br>超高速模式：5 Mbps或更高 |
| 地址长度 | 通常7位或10位 | 通常7位或10位 |
| 多主机支持 | 支持，但同一时间只能有一个主机控制总线 | 支持，允许多个主机更灵活地控制总线 |
| 总线仲裁 | 基本仲裁机制 | 改进的仲裁机制，减少总线冲突 |
| 流控制 | 基本流控制 | 增强的流控制，包括超时和重传机制 |
| 信号线 | 两条：SDA（数据线）和SCL（时钟线） | 两条：SDA（数据线）和SCL（时钟线） |
| 应用范围 | 较广泛的应用，特别是在低速通信场合 | 适用于高速通信和更复杂的系统 |
