瑞萨RA系列FSP库开发实战指南之I2C通讯协议的物理层和协议层简介
21.1
I2C简介
I2C通信协议（Inter-Integrated Circuit）是由Philips开发的。由于其引脚少、硬件实现简单、扩展性强，并且不需要外部收发器设备进行USART、CAN等通信协议，因此目前被广泛用于系统内多个集成电路（IC）之间的通信。
在计算机科学中，大多数复杂的问题都可以通过层层简化。例如，芯片分为核心层和片上外设； Renesas 的FPS 库是寄存器和用户代码之间的软件层。
我们还以分层的方式理解通信协议。最基本的就是分为物理层和协议层。物理层规定了通信系统中机械和电子功能部件的特性，以保证原始数据在物理介质上的传输。协议层主要规定通信逻辑，统一发送方和接收方的数据打包和解包标准。
简单来说，物理层规定了我们用嘴还是身体来交流，协议层规定了我们用中文还是英文交流。
下面我们将分别讲解I2C协议的物理层和协议层。
21.1.1
I2C物理层
I2C 通信设备之间常见的连接方式如图22_1 所示。
图221 常见的I2C 通信系统
其物理层具有以下特点：
(1)它是支持设备的总线。 “总线”是指多个设备共享的信号线。在一条I2C通信总线中，可以连接多个I2C通信设备，支持多个通信主站和多个通信从站。
(2) I2C总线仅使用两条总线，一条双向串行数据线(SDA)和一条串行时钟线(SCL)。数据线用来表示数据，时钟线用来同步数据的发送和接收。
(3)总线上连接的每个设备都有独立的地址，主机可以利用这个地址访问不同的设备。
(4) 总线通过上拉电阻连接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻状态。当所有设备空闲且全部输出高阻状态时，上拉电阻会将总线拉至高电平。
(5)当多台主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会采用仲裁的方式来决定哪一个设备占用总线。
(6)具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式可达3.4Mbit/s。然而，目前大多数I2C设备不支持高速模式。
(7) 连接到同一总线的IC 数量受到总线最大电容400pF 的限制。
21.1.2
协议层
I2C协议定义了通信开始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播。
21.1.2.1
I2C基本读写流程
我们先看一下I2C通信流程的基本结构。其通信流程如图22_2、图22_3、图22_4所示。
图22-2 主设备向从设备写入数据
图22-3 主机从从机读取数据
图224 I2C 通信复合格式
传奇
数据从主机传输到从机
S：发送开始信号
SLAVE_ADDRESS：从机地址
数据从从机传输到主机
R/W-：传输方向选择位，1为读，0为写
A/A-：确认（ACK）或非确认（NACK）信号
P：停止发射信号
这些图代表了主从通信时SDA线的数据包序列。
其中S表示主机I2C接口产生的传输起始信号(S)。此时，所有连接到I2C总线的从机都会收到该信号。
起始信号产生后，所有从机开始等待主机接下来广播的从机地址信号（SLAVE_ADDRESS）。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的。当主机广播的地址与设备的地址相同时，该设备被选中。未被选中的设备将忽略后续的数据信号。根据I2C协议，该从机地址可以是7位或10位。
地址位之后有一个传输方向选择位。当该位为0时，表示后续数据传输方向是从主机到从机，即主机向从机写入数据。当该位为1时，情况相反，即主机从从机读取数据。
从机收到匹配的地址后，从机返回响应（ACK）或不响应（NACK）信号。主机只有收到响应信号后才能继续发送或接收数据。
写入数据
如果配置的方向传输位是“写数据”方向，即第一张图的情况，主机广播地址并收到响应信号后，开始正式向从机传输数据（DATA）。数据包的大小为8位。主机每发送一个字节的数据，就必须等待从机的响应信号（ACK）。重复这个过程，就可以向从机发送N条数据。该N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送停止传输信号（P），表示不再传输数据。
读取数据
如果配置的方向传输位是“读数据”方向，即第二张图的情况，从机广播地址并收到响应信号后，开始向主机返回数据（DATA）。数据包大小也是8位。从机每发送一条数据，都会等待主机的响应信号（ACK）。重复此过程，即可返回N条数据。这个N没有大小限制。当主机想停止接收数据时，它向从机返回非应答信号（NACK），从机自动停止数据传输。
读取和写入数据
I2C通信除了基本的读写之外，更常用的是复合格式，即第三张图的情况，传输过程有两个起始信号（S）。一般情况下，第一次传输时，主机通过SLAVE_ADDRESS找到从设备后，发送一段“数据”。该数据通常用来表示从设备的内部寄存器或内存地址（注意它和SLAVE_ADDRESS的区别）；在第二次传输中，读取或写入地址的内容。也就是说，第一次通信是告诉从机读写地址，第二次通信是告诉从机实际读写的内容。
上述通信过程中包含的各种信号细分如下：
22.1.2.2。通讯开始和停止信号
上述启动（S）和停止（P）信号是两种特殊状态，见图22-5。当SCL线为高电平时，SDA线从高电平切换到低电平，这种情况表明通信开始。当SCL为高电平时，SDA线由低电平切换为高电平，表示通信停止。启动和停止信号一般由主机产生。
图22-5 启动和停止信号
22.1.2.3。数据有效性
I2C使用SDA信号线传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。参见图22_6。 SDA 数据线在SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平时SDA所代表的数据有效，即SDA为高电平时代表数据“1”，为低电平时代表数据“0”。当SCL为低电平时，SDA中的数据无效。一般来说，SDA此时会切换电平，为下一次数据的表示做准备。
图226 数据有效性
每次数据传输以字节为单位，每次传输的字节数没有限制。
22.1.2.4。地址和数据方向
I2C总线上的每个设备都有自己独立的地址。当主机发起通信时，通过SDA信号线发送设备地址（SLAVE_ADDRESS）来寻找从机。 I2C协议规定设备地址可以是7位或10位。在实践中，7位地址被广泛使用。紧跟在设备地址之后的数据位用于指示数据传输的方向。是数据方向位（R/），位8或位11。当数据方向位为“1”时，表示主机从从机读取数据。当该位为“0”时，表示主机向从机写入数据。参见图22_7。
图22-7 设备地址（7 位）和数据传输方向
读数据方向时，主机释放对SDA信号线的控制，从机控制SDA信号线，主机接收信号；写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。
22.1.2.5。回应
I2C 数据和地址传输响应灵敏。该响应包括两个信号：“ACK”和“NACK”。作为数据接收方时，当设备（无论主机还是从机）接收到I2C传输的一个字节的数据或地址时，如果想让对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答（ACK）”信号，发送方才会继续发送下一个数据；如果接收端想结束数据传输，就会向对方发送“无应答（NACK）”信号。发送方不会继续发送下一个数据，然后主机会产生停止信号，结束信号传输。参见图22_8。
图228 响应和非响应信号
主机在传输过程中生成时钟。第9个时钟时，数据发送端释放对SDA的控制，数据接收端控制SDA。如果SDA为高电平，则表示非应答信号(NACK)，低电平则表示应答信号(ACK)。
