飞凌嵌入式ElfBoard ELF1板卡-i2c与从设备通讯编程之i2c硬件原理

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i2c总线是由飞利浦在80年代初设计的，以允许位于同一电路板上的组件之间能够轻松通信。其大大简化了电路的设计，早期的电视机中很多地方用到了i2c这种通信方式。飞利浦半导体于2006年迁移到了NXP。i2c名称翻译为“ Inter IC”。有时，该总线称为IIC或I²C总线。
I2C总线的基本的特征
（一）同步、半双工，带数据应答；
（二）两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）；
（三）i2c为总线型结构，主设备依靠从设备地址进行寻址；
（四）设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式；
（五）SCL和SDA必须添加上拉电阻；
（六）开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题；
（七）i2c标准的传输速率可以达到100Kbit/s，快速模式下可以达到400Kbit/s，高速模式下可以到达3.4Mbit/s。

i2c时序结构
（一）起始/停止信号
i2c的起始和停止信号，波形如下：

起始信号：SCL为高电平期间，SDA从高电平到低电平；
停止信号：SCL为高电平期间，SDA从低电平到高电平；
（二）收发数据
发送数据：SCL低电平期间，主机根据要发送的数据，将SDA线置0或置1（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，循环8次，即可发送一个字节。
接收数据：SCL低电平期间，从机根据要发送的数据，将SDA线置0或置1（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，循环8次，即可接收一个字节。
i2c的发送和接收波形是类似的，区别在于SDA上的数据是主机提供还是从机提供。

（三）应答位
无论是主机还是从机，当i2c设备接受一个字节数据后，会在下一个时钟发送1个应答位，发送的数据为0表示应答，数据为1表示非应答。

（四）设备寻址
每一台i2c设备都有一个设备地址，设备地址由7位地址和1个读写位组成，i2c开始通信时，主设备会发起总线寻址，在发起起始信号之后，发送一个字节的设备地址。

R/W位：表示数据传输的方向。当R/W位为0时，表示主机向从机写入数据；当R/W位为1时，表示主机从从机读取数据。
设备地址可以分为可编程和不可编程两种方式。对于一些设备，它们的地址是固定且不可更改的，而对于另一些设备，则可以通过芯片引脚来设定设备的地址。可编程地址的设备可以更方便地连接多个相同类型的设备在同一条i2c总线上，并通过地址来区分不同的设备。
（五）写时序
下图完整的展示了主机向从机写一个字节的时序图，需要注意的包括：
当主设备通过i2c总线向从设备写入数据时，主设备需首先在总线上发送带有从设备地址的起始条件，并且最后一位设置为0（R/W位），该位表示写入。
从设备发送应答位后，主设备将发送它希望写入的寄存器的寄存器地址。从设备将再次确认，让主设备知道它准备好了。
在此之后，主设备将开始将数据发送到从设备的寄存器，直到主设备发送了所需的所有数据（有时这只是一个字节），主设备将以STOP条件终止传输。

（六）读时序
对从设备的读取与写入非常相似：
为了对从设备读取，主设备必须首先向从设备指示它希望从哪个寄存器读取。 这是由主设备以与写入类似的方式开始传输，通过发送R/W位等于0（表示写入）的地址，然后是希望从中读取的寄存器地址。
一旦从设备确认该寄存器地址，主设备将再次发送START条件，然后是从设备地址，R/W位设置为1（表示读取）。
之后主设备读取从设备的数据，一旦主设备收到了预期的字节数，他就会发送一个ACK，向从设备发送停止信号，然后主设备将以STOP条件结束通讯。