I2C总线介绍 I2C读写时序介绍
大家好，这里是程序员 杰克 。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。
作为嵌入式开发人员，无论是硬件还是软件工程师，或多或少都会接触过i2c接口的外设。诸如常用的存储器eeprom等皆是i2c接口进行通信。
本系列推文主要是对i2c总线进行总结和分享，本篇推文主要是对i2c总线及其通讯时序进行介绍和分享。后续会分别出推文分享mcu实现i2c接口以及在fpga实现i2c逻辑时序。
下面正式进入本章推送的内容。
01 i2c总线介绍
i2c总线是由philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的集成ic器件之间 双向通信 。其特点如下：
i2c总线上的每个设备都可以作为主机或从机，当多个主机需要使用总线时，通过仲裁方式决定特定主机的优先占用.
每个设备都有 唯一地址 ，总线上通过地址识别来确定通信的主从双方.
连接到相同总线的设备数量受到总线的最大电容400pf限制.
总线物理连接
i2c作为总线，其总线上会挂载很多的设备，下图为一个典型的总线拓扑：
i2c总线的物理连接上比较简单，由 sda(串行数据线) 、 scl(串行时钟线) 、上拉电阻组成。单一设备硬件电路如下图所示(eeprom-24c02为例)：
特别说明：
多个器件连接在一条总线上时，sda、scl上各有一个上拉电阻便可.
通信模式
i2c总线支持三种模式： 标准模式 、 快速模式 、 高速模式 ，其对应的速率如下表所示：
模式速率(bit/s)
标准模式 100k
快速模式 400k
高速模式 3.4m
i2c协议整体时序
对于一个完整的i2c协议而言，其包括起始位、主从数据交互以及停止位。整体时序、组成如下所示：
组成描述
空闲状态 总线空闲时，sda、scl皆为高电平
起始位 scl为高电平时，sda出现下降沿
主从数据交互(数据+应答) 数据：1字节的控制帧/数据帧
应答：数据传输完成后的下一个时钟沿，sda-0表示应答，sda=1表示非应答.
停止位 scl为高电平时，sda出现上升沿
02 i2c读写时序介绍
i2c总线上的设备主动发起通信时作为主机，被动接收时作为从机。因此对于i2c读写时序而言，分为主机、从机读写时序。本篇主要是描述主机的读写时序操作，从机的时序不在此系列推文分享。
i2c写时序(主机)
对于i2c主机在scl时钟驱动下的基本写时序组成如下所示：
写时序组成描述
起始位 scl为高电平时，sda出现下降沿. 表示一次总线通信的开始. 由主机发起.
控制帧(8bit)(主机->从机) 由从机地址(slave_address)和操作位(r/w)组成.r/w：控制帧[0]为操作位，0-表示写，1-表示读；控制帧[7:1]为从机地址，具体使用的位数由器件决定；
应答位(从机->主机) 从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ack信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)( 主机->从机 ) 主机写到从机的1字节数据(8bit).
应答/非应答( 从机->主机 ) 从机接收到对应的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ack/非应答nack信号.
停止位 scl为高电平时，sda出现上升沿. 表示一次总线通信的结束. 由主机发起.
i2c读时序(主机)
对于i2c主机在scl时钟驱动下的基本读时序组成如下所示：
读时序组成描述
起始位 scl为高电平时，sda出现下降沿. 表示一次总线通信的开始. 由主机发起.
控制帧(8bit)(主机->从机) 由从机地址(slave_address)和操作位(r/w)组成.r/w：控制帧[0]为操作位，0-表示写，1-表示读；控制帧[7:1]为从机地址，具体使用的位数由器件决定；
应答位(从机->主机) 从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ack信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)(从机->主机) 从机返回给主机的1字节数据(8bit).
应答/非应答(主机->从机) 主机接收到从机返回的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ack/非应答nack信号给从机.
停止位 scl为高电平时，sda出现上升沿. 表示一次总线通信的结束. 由主机发起.
特别说明：
i2c主机的读写时序的起始位、控制帧、控制帧应答以及停止位是一致的，差异主要体现在是数据帧、数据帧的应答的主从方向上。
差异点写时序读时序
数据帧(8bit) 主机写入到从机(主->从) 从机返回给主机(从->主)
应答/非应答 从机做出应答/非应答(从->主) 主机做出应答/非应答(主->从)
03 文章总结
i2c总线以其外围电路简单、占用pcb面积小、总线可挂载多节点设备等特点而被广泛应用，因此，对于学习i2c总线的电路结构、时序还是很有必要的。
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I2C总线介绍 I2C读写时序介绍
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下面正式进入本章推送的内容。
01 i2c总线介绍
i2c总线是由philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的集成ic器件之间 双向通信 。其特点如下：
i2c总线上的每个设备都可以作为主机或从机，当多个主机需要使用总线时，通过仲裁方式决定特定主机的优先占用.
每个设备都有 唯一地址 ，总线上通过地址识别来确定通信的主从双方.
连接到相同总线的设备数量受到总线的最大电容400pf限制.
总线物理连接
i2c作为总线，其总线上会挂载很多的设备，下图为一个典型的总线拓扑：
i2c总线的物理连接上比较简单，由 sda(串行数据线) 、 scl(串行时钟线) 、上拉电阻组成。单一设备硬件电路如下图所示(eeprom-24c02为例)：
特别说明：
多个器件连接在一条总线上时，sda、scl上各有一个上拉电阻便可.
通信模式
i2c总线支持三种模式： 标准模式 、 快速模式 、 高速模式 ，其对应的速率如下表所示：
模式速率(bit/s)
标准模式 100k
快速模式 400k
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i2c协议整体时序
对于一个完整的i2c协议而言，其包括起始位、主从数据交互以及停止位。整体时序、组成如下所示：
组成描述
空闲状态 总线空闲时，sda、scl皆为高电平
起始位 scl为高电平时，sda出现下降沿
主从数据交互(数据+应答) 数据：1字节的控制帧/数据帧
应答：数据传输完成后的下一个时钟沿，sda-0表示应答，sda=1表示非应答.
停止位 scl为高电平时，sda出现上升沿
02 i2c读写时序介绍
i2c总线上的设备主动发起通信时作为主机，被动接收时作为从机。因此对于i2c读写时序而言，分为主机、从机读写时序。本篇主要是描述主机的读写时序操作，从机的时序不在此系列推文分享。
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对于i2c主机在scl时钟驱动下的基本写时序组成如下所示：
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应答位(从机->主机) 从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ack信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)( 主机->从机 ) 主机写到从机的1字节数据(8bit).
应答/非应答( 从机->主机 ) 从机接收到对应的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ack/非应答nack信号.
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应答位(从机->主机) 从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ack信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)(从机->主机) 从机返回给主机的1字节数据(8bit).
应答/非应答(主机->从机) 主机接收到从机返回的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ack/非应答nack信号给从机.
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应答/非应答 从机做出应答/非应答(从->主) 主机做出应答/非应答(主->从)
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