概述

    本文为I2C协议的简要解析，旨在帮助日常开发中遇到的I2C协议的问题，详细的I2C协议，请查看飞利浦半导体公司发布的文档。除了标准的I2C协议外，还有其他兼容I2C协议，比如smbus、pmbus, 和现在I2C协议的升级版本I3C协议。

物理拓扑

这是从NXP I2C协议文档中复制的一张图片，I2C的物理链接拓扑如下所示：

从上面的图片中我们可以得出I2C总线物理上有如下的特点：

1、I2c总线有两个信号线组成，一条是SCL时钟线，另外一条是SDA数据线；

2、I2C总线属于主从通信模型，只有master会发起通信，slave从设备只负责响应，但是作为I2C的升级版本I3C，据说slave也能发起通信；

3、SCL：Serial Clock 时钟线：由主机输出时钟节拍，同步所有数据收发。

4、SDA：Serial Data 数据线：双向传输地址 + 读写数据，开漏输出结构。

5、所有设备 SCL、SDA 分别并联在一起；

6、必须上拉电阻（典型 4.7kΩ）到 VCC，空闲时两根线都是高电平；

7、I2C总线上有1 个主机 Master（MCU/CPU），多个从机 Slave（EEPROM、RTC、ADC等）；

8、在从机地址7位模式中，理论上最多挂载设备数(2^7=128) 个，但是部分地址为保留地址，实际可用 112 个；

9、总线速率：

1）标准模式：100kHz

2）快速模式：400kHz（最常用）

3）高速模式：1MHz/3.4MHz

4）超高速：5MHz

I2C设备地址

I2C设备支持两种地址模式，分别是7位地址模式和10位地址模式，通常我们接触的7位地址模式比较常见。在I2C设备驱动的适配中，我们常常需要确定I2C设备的地址，但是大部分的数据手册，提供的I2C通信中的地址，比如在EEROM数据手册中提供的读地址0xA1, 写地址0xA0，那我们如何确定i2c设备的地址呢，

I2C通信的地址由两部分组成：7bit设备地址+1bit读写标记，因此如果你的I2C设备手册只提供读写地址，我们可以通过如下的计算方式，获得I2C设备地址：

1、I2C设备地址 = I2C读地址 >> 1 or I2C设备地址 = I2C写地址 >> 1；

2、将右移后的7bit地址的最高位补0，则构成了I2C设备的地址，比如对于EEROM的读地址0xA1,将0xA1 >> 1后，最高位补0，则得到EEROM的设备地址为0x50;

I2C时序信号

总线空闲：

当I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA都处于高电平状态

起始信号 Start

SCL 维持高电平期间，SDA 由高电平跳变到低电平告诉所有从机：主机即将开始传输数据

停止信号 Stop

SCL 维持高电平期间，SDA 由低电平跳变到高电平告诉从机：本次通信结束，总线释放

数据有效性时序

这个是大家比较忽略的一点，在I2C协议中，当SCL处于高电平时，此时的SDA的电平表示I2C数据位，当SCL处于低电平时，SDA处于可变化数据状态，不是有效的I2C数据位，因此我们在使用示波器或者逻辑分析仪分析I2C波形时，可以通过这种方式来确定，SDA数据的正确性；

设备应答和非应答时序

在I2C通信中的第9个SCL时钟时，对SDA进行采样，当SDA处于低电平时，则表示从设备应答，当SDA处于高电平时，则表示从设备无应答；通过这种手段，我们可以通过观察示波器或者逻辑分析仪的波形来确定I2C设备的工作状态；

通信数据

    如下一个I2C数据的传输过程，I2C数据传输传输单元是字节进行的，因此在比如读或者写一个I2C设备的内部寄存器地址，并且是高位在前，地位在后；如下展示的是完整读或者写一个寄存器的传输过程；

从通信过程中我们可以得到如下的信息：

1）主机发送START，开启传输；

2）不管是读还是写，I2C第一个字节的数据都是从设备地址+读写标记位；

3）不管是读还是写操作，则第二个字节数据为I2C设备的内部寄存器的地址；

4）如果是读操作，则第三个字节为读到的I2C设备内部寄存器的数据，如果是写操作，则第三个字节为写入I2C设备内部寄存器的数据；

5）读或者写完成后，主机发送STOP；

当然，我们可以在I2C通信中，一次通信中操作多个I2C设备的内部寄存器，关于这部分的传输过程，感兴趣的同学，自己完成探索，这里不再描述；

总结

本文为作为一个Linux嵌入式工程师的视角简要描述了I2c协议，感兴趣的同学，可以去nxp上学习完整i2c协议；