简述i2c总线的工作原理 i2c通信过程 i2c通信协议原理
一、i2c总线定义
要搞清楚一种总线，就跟了解一件事情的来龙去脉一样，首先要弄清楚由来。
i2c是inter-intergrated circuit的简称，英文翻译过来是：内置集成电路。为什么i2c是内置集成电路？i2c总线是由philips公司在80年代初开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，为了让主板、嵌入式系统用以连接低速的周边设备而发展的，从这个字面上意思上来看，i2c是一种低速率的串行总线，为了解决低速设备接入高速设备而存在的。
i2c可以写成i²c、iic，i2c之所以被广泛应用，因为这种通信总线比较简单，物理上只需要两根线--串行数据线（sda）和串行时钟线(scl)，即可在连接于总线上的器件传送信息。这里说明一点，i2c仅限于板级间走线，因为通信距离受到一些参数限制，比如总线的负载电容、总线上的电流等等。 既然是双方或者多方通信，肯定会有发起的一方。我们将发起通信的这一方称为主器件，主器件用来启动总线传送数据，并产生时钟，数据在时钟脉冲的作用下，去寻址从器件。此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据的传输方向。主机负责产生时钟和终止数据传送。
二、工作原理
下图是i2c总线电路的结构分析，虚框内是ic内的电路，虚框外是外部电路。
从上图可以看出：i2c两根线：一根串行时钟线scl、一根串行数据线sda，且两根线对应到器件的两个pin均是双向的，也就是说主器件和从器件不是恒定不变的。
pin脚的电路结构为开漏输出（开漏输出的典型特点是需外接上拉电阻才能对外输出高电平），所以需要通过上拉电阻接电源vcc，保证总线空闲时两根线都是高电平，且能够实现高低电平的变化。总线在传输数据时，当scl电平为高时，sda数据有效，且需要保持一定的时间；当scl为低电平时，sda数据无效，允许变化。
i2c总线有主从之分，连接总线的外部器件也都是cmos器件，输出级也都是开漏电路，在总线上消耗的电流很小，这样保证i2c总线不需要太大的电流驱动能力。但i2c总线上可扩展的器件数量主要是由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容，而线路中电容会影响总线传输速度，当电容过大时，有可能造成传输错误。所以需要根据不同的负载电容去估算支持的最大从设备数量。i2c总线的电容负载能力为400pf（通过驱动扩展可达到4000pf），每一个器件的输入都相当于一个等效电容，由于i2c总线扩展器件的连接方式为并联，因为i2c总线的等效电容等于每个器件的等效电容之和，等效电容存在会造成传输信号波形的畸变，在超出范围时，会导致数据传输出错。
由上图可以看出，rp是上拉电阻，cl就是该器件i2c接口的对gnd电容，上拉电阻rp计算方式：(vddmax-uinlmax)/rpmin< （2~4）ma（i/o口的灌电流）其中:vddmax:电源电压的最大值，uinlmax:i/o口上允许的低电平的最大值（cmos电路结构中uinl<=0.7v）
举例：评估出一个最小的上拉电阻阻值
已知：电源电压vdd=5v±%10，io端口的驱动能力为3ma，uinmax=0.7v，则最小的上拉电阻计算如下：
(vddmax-uinmax)/rpmin<3ma 代入数据，得rpmin=1.6k；
上拉电阻rp的最大值计算
总线电容是线路连接和管脚的总电容，它决定了rp的最大值
1）标准模式：每条总线线路的最大电容负载都为400pf,且tr<300ns；
2）快速模式：每条总线线路的最大电容负载都为200pf,且tr<300ns；
i2c的速率：
标准模式sm(standard mode)：100kbit/s,
快速模式fm(fast mode)：400kbit/s,
快速+模式（fast mode plus）：1mbit/s
高速模式hs(high-speed mode):3.4mbit/s
快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，sda和scl输入有施密特触发器；
快速模式器件的输入缓冲器对sda和scl信号的下降沿有斜率控制功能；
如果快速模式器件的电源电压被关断，sda和scl的i/o管脚必须悬空，不能阻塞总线；
评估i2c总线一个最大的上拉电阻阻值方法
i2c端口输出高电平是通过rp上拉到vdd实现，线上电平由低到高的变化，电源通过rp对线上负载电容cl充电，从低电平切换到高电平，是需要一定时间的，即上升时间，这个上升时间可以近似用充电时间常数rpcl表示，瑞昱100kbit/s速率应用，信号上升时间小于300ns，假设线上的cl为20pf,计算出对应的rp值为17k。（计算公式：rpmax=tr/(0.8473cb)），tr为上升时间，cb为总线电容。最大的rpmax是变化的，需要根据实际的cb计算。
如果rp*cl充电时间常数过大，将是信号上升沿变化缓慢，达不到传输数据要求；如果rp太小，则会增大端口的sink电流，在可能的情况下，rp取值大要一些，以减少好点。
电路干扰：在i2c设备的电源入口处要加滤波电容，一般加10nf或100nf；sda和scl上如果有干扰，要做滤波处理，总线上串接几十欧姆的电容，对地加几十pf电容；
三、通信流程
i2c通信特征总的来说，主要是同步串行通信、非差分、低速率。
i2c的在数据传输过程中共有三种类型的信号：开始信号start,结束信号end,应答信号ack/nack.
开始信号：scl为高电平时，sda由高电平跳变为低电平，表示开始通信；
停止信号：scl为高电平时，sda由低电平跳变为高电平，表示结束通信；
应答信号ack（nack）：在接收数据的ic在接收到一个字节数据后，向发送数据的ic发出特定的低电平脉冲（nack是高电平脉冲，应答信号一般是在第9个时钟传输），表示已经收到数据。开始和结束信号都是由主机发车，应答信号是由从机发出。
数据的有效性：当开始传输数据时，i2c是在scl为高电平时采样，所以sda线上的数据必须在时钟scl高电平周期内保持稳定的高电平或者低电平状态，否则会导致通信失败。同样，只有在scl线上的时钟信号是低电平时,sda线上的电平才能改变。
空闲状态：scl，sda线上都是高电平。
ack/nack说明：
1.主机向从机发送数据，从机无法接收或者无法识别解析数据时，会发送nack;
2.从机向主机发送数据，主机不想接收了，主机会发送nack，这时从机释放sda总线，好让主机接下来发送stop信号。
发起通信的流程
首先主机会线拉低sda总线，标志我要开始通信了，接下来主机会发送 7bit的地址+1bit的读写位 如果某个从设备地址和主机发的地址吻合，就会发出一个ack信号，通信就此建立。之后的读写操作，要具体看从设备的通讯规范，比如读一个寄存器可能要如下操作：
图中，灰色表示主机发送，白色表示从机发送。主机之所以如此发送数据，是根据从机的通信手册来的，并不是标准的i2c协议规定的，主机并不知道这些数据的意义，只有从机知道。
传输步骤
1.在scl线为高电平时，主机通过将sda线从高电平切换到低电平来启动总线通信
2.主机想总线发送要与之通信的从机的7位或者10位地址，以及读写位。
3.每个从机将主机发送的地址与自己的地址进行比较，如果地址匹配，则从机将sda线拉低一位，返回一个ack位，如果主机的地址与从机的地址不匹配，则从机将sda线拉高。
4.主机发送或接受数据帧：
5.传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ack位返回给发送方，以确认成功接收到该帧。
6.随后主机将scl切换为高电平，然后再将sda切换为高电平，从而向从机发送停止条件。
以上是单个字节的传输步骤详解，多字节的读写和页写，后面我们根据代码再介绍。
四、i2c通信优缺点
与其他通信协议相比，i2c听起来很复杂，以下是其优缺点的总结。
优点
仅使用两根线支持多个主机和多个从机ack/nack位用于确认每个帧都已成功传输硬件比uart更简单缺点
数据传输速率比spi慢数据帧的大小限制为8位
高通抵制收购,谁想博通还有后招
芯片封装知识微总汇
物联网使我们生活变得智能的同时，城市也变得更智能
三星高端存储芯片二期一阶段下线，二阶段预计2021年上半年建成投产
Holole国内上线？售价配置全曝光？
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数码摄像机的滤镜口径
光衰减器分类及型号
楼盘里面如何加入物联网技术
NTT宣布与Megaport扩大合作伙伴关系以简化混合和多云基础设施的构建
石墨烯在柔性传感器领域的应用有哪些
开关电源EMC测试中常见的问题有哪些
网格单元在哺乳动物的导航中的重要性
要搞清楚一种总线，就跟了解一件事情的来龙去脉一样，首先要弄清楚由来。
i2c是inter-intergrated circuit的简称，英文翻译过来是：内置集成电路。为什么i2c是内置集成电路？i2c总线是由philips公司在80年代初开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，为了让主板、嵌入式系统用以连接低速的周边设备而发展的，从这个字面上意思上来看，i2c是一种低速率的串行总线，为了解决低速设备接入高速设备而存在的。
i2c可以写成i²c、iic，i2c之所以被广泛应用，因为这种通信总线比较简单，物理上只需要两根线--串行数据线（sda）和串行时钟线(scl)，即可在连接于总线上的器件传送信息。这里说明一点，i2c仅限于板级间走线，因为通信距离受到一些参数限制，比如总线的负载电容、总线上的电流等等。 既然是双方或者多方通信，肯定会有发起的一方。我们将发起通信的这一方称为主器件，主器件用来启动总线传送数据，并产生时钟，数据在时钟脉冲的作用下，去寻址从器件。此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据的传输方向。主机负责产生时钟和终止数据传送。
二、工作原理
下图是i2c总线电路的结构分析，虚框内是ic内的电路，虚框外是外部电路。
从上图可以看出：i2c两根线：一根串行时钟线scl、一根串行数据线sda，且两根线对应到器件的两个pin均是双向的，也就是说主器件和从器件不是恒定不变的。
pin脚的电路结构为开漏输出（开漏输出的典型特点是需外接上拉电阻才能对外输出高电平），所以需要通过上拉电阻接电源vcc，保证总线空闲时两根线都是高电平，且能够实现高低电平的变化。总线在传输数据时，当scl电平为高时，sda数据有效，且需要保持一定的时间；当scl为低电平时，sda数据无效，允许变化。
i2c总线有主从之分，连接总线的外部器件也都是cmos器件，输出级也都是开漏电路，在总线上消耗的电流很小，这样保证i2c总线不需要太大的电流驱动能力。但i2c总线上可扩展的器件数量主要是由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容，而线路中电容会影响总线传输速度，当电容过大时，有可能造成传输错误。所以需要根据不同的负载电容去估算支持的最大从设备数量。i2c总线的电容负载能力为400pf（通过驱动扩展可达到4000pf），每一个器件的输入都相当于一个等效电容，由于i2c总线扩展器件的连接方式为并联，因为i2c总线的等效电容等于每个器件的等效电容之和，等效电容存在会造成传输信号波形的畸变，在超出范围时，会导致数据传输出错。
由上图可以看出，rp是上拉电阻，cl就是该器件i2c接口的对gnd电容，上拉电阻rp计算方式：(vddmax-uinlmax)/rpmin< （2~4）ma（i/o口的灌电流）其中:vddmax:电源电压的最大值，uinlmax:i/o口上允许的低电平的最大值（cmos电路结构中uinl<=0.7v）
举例：评估出一个最小的上拉电阻阻值
已知：电源电压vdd=5v±%10，io端口的驱动能力为3ma，uinmax=0.7v，则最小的上拉电阻计算如下：
(vddmax-uinmax)/rpmin<3ma 代入数据，得rpmin=1.6k；
上拉电阻rp的最大值计算
总线电容是线路连接和管脚的总电容，它决定了rp的最大值
1）标准模式：每条总线线路的最大电容负载都为400pf,且tr<300ns；
2）快速模式：每条总线线路的最大电容负载都为200pf,且tr<300ns；
i2c的速率：
标准模式sm(standard mode)：100kbit/s,
快速模式fm(fast mode)：400kbit/s,
快速+模式（fast mode plus）：1mbit/s
高速模式hs(high-speed mode):3.4mbit/s
快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，sda和scl输入有施密特触发器；
快速模式器件的输入缓冲器对sda和scl信号的下降沿有斜率控制功能；
如果快速模式器件的电源电压被关断，sda和scl的i/o管脚必须悬空，不能阻塞总线；
评估i2c总线一个最大的上拉电阻阻值方法
i2c端口输出高电平是通过rp上拉到vdd实现，线上电平由低到高的变化，电源通过rp对线上负载电容cl充电，从低电平切换到高电平，是需要一定时间的，即上升时间，这个上升时间可以近似用充电时间常数rpcl表示，瑞昱100kbit/s速率应用，信号上升时间小于300ns，假设线上的cl为20pf,计算出对应的rp值为17k。（计算公式：rpmax=tr/(0.8473cb)），tr为上升时间，cb为总线电容。最大的rpmax是变化的，需要根据实际的cb计算。
如果rp*cl充电时间常数过大，将是信号上升沿变化缓慢，达不到传输数据要求；如果rp太小，则会增大端口的sink电流，在可能的情况下，rp取值大要一些，以减少好点。
电路干扰：在i2c设备的电源入口处要加滤波电容，一般加10nf或100nf；sda和scl上如果有干扰，要做滤波处理，总线上串接几十欧姆的电容，对地加几十pf电容；
三、通信流程
i2c通信特征总的来说，主要是同步串行通信、非差分、低速率。
i2c的在数据传输过程中共有三种类型的信号：开始信号start,结束信号end,应答信号ack/nack.
开始信号：scl为高电平时，sda由高电平跳变为低电平，表示开始通信；
停止信号：scl为高电平时，sda由低电平跳变为高电平，表示结束通信；
应答信号ack（nack）：在接收数据的ic在接收到一个字节数据后，向发送数据的ic发出特定的低电平脉冲（nack是高电平脉冲，应答信号一般是在第9个时钟传输），表示已经收到数据。开始和结束信号都是由主机发车，应答信号是由从机发出。
数据的有效性：当开始传输数据时，i2c是在scl为高电平时采样，所以sda线上的数据必须在时钟scl高电平周期内保持稳定的高电平或者低电平状态，否则会导致通信失败。同样，只有在scl线上的时钟信号是低电平时,sda线上的电平才能改变。
空闲状态：scl，sda线上都是高电平。
ack/nack说明：
1.主机向从机发送数据，从机无法接收或者无法识别解析数据时，会发送nack;
2.从机向主机发送数据，主机不想接收了，主机会发送nack，这时从机释放sda总线，好让主机接下来发送stop信号。
发起通信的流程
首先主机会线拉低sda总线，标志我要开始通信了，接下来主机会发送 7bit的地址+1bit的读写位 如果某个从设备地址和主机发的地址吻合，就会发出一个ack信号，通信就此建立。之后的读写操作，要具体看从设备的通讯规范，比如读一个寄存器可能要如下操作：
图中，灰色表示主机发送，白色表示从机发送。主机之所以如此发送数据，是根据从机的通信手册来的，并不是标准的i2c协议规定的，主机并不知道这些数据的意义，只有从机知道。
传输步骤
1.在scl线为高电平时，主机通过将sda线从高电平切换到低电平来启动总线通信
2.主机想总线发送要与之通信的从机的7位或者10位地址，以及读写位。
3.每个从机将主机发送的地址与自己的地址进行比较，如果地址匹配，则从机将sda线拉低一位，返回一个ack位，如果主机的地址与从机的地址不匹配，则从机将sda线拉高。
4.主机发送或接受数据帧：
5.传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ack位返回给发送方，以确认成功接收到该帧。
6.随后主机将scl切换为高电平，然后再将sda切换为高电平，从而向从机发送停止条件。
以上是单个字节的传输步骤详解，多字节的读写和页写，后面我们根据代码再介绍。
四、i2c通信优缺点
与其他通信协议相比，i2c听起来很复杂，以下是其优缺点的总结。
优点
仅使用两根线支持多个主机和多个从机ack/nack位用于确认每个帧都已成功传输硬件比uart更简单缺点
数据传输速率比spi慢数据帧的大小限制为8位
高通抵制收购,谁想博通还有后招
芯片封装知识微总汇
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简述i2c总线的工作原理 i2c通信过程 i2c通信协议原理
补偿脉冲发电机集惯性储能、机电能量转换和脉冲成形的综合技术
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光衰减器分类及型号
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