一、I2C協(xié)議概述
I2C 是Inter-Integrated Circuit的縮寫，發(fā)音為'eye-squared cee' or 'eye-two-cee' , 它是一種兩線接口。
I2C 只是用兩條雙向的線，一條 Serial Data Line (SDA) ，另一條Serial Clock (SCL)。
SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。(邊沿觸發(fā))
SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成'線與'關(guān)系。
輸出級
每一個I2C總線器件內(nèi)部的SDA、SCL引腳電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，引腳的輸出驅(qū)動與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開路的場效應(yīng)管，輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器，這種電路具有兩個特點：
1)由于SDA、SCL為漏極開路結(jié)構(gòu)(OD)，因此它們必須接有上拉電阻,阻值的大小常為 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 時性能最好；當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線'與'關(guān)系。
2)引腳在輸出信號的同時還將引腳上的電平進行檢測，檢測是否與剛才輸出一致，為'時鐘同步'和'總線仲裁'提供了硬件基礎(chǔ)。
主設(shè)備與從設(shè)備
系統(tǒng)中的所有外圍器件都具有一個7位的'從器件專用地址碼'，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由使用者定義。主控器件通過地址碼建立多機通信的機制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個器件，其系統(tǒng)仍然為簡約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端必須是帶有CPU的邏輯模塊，在同一總線上同一時刻使能有一個主端，可以有多個從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容 400pF的限制?！ ?/p>
二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備控制的。
4.速率：
普通模式：100kHz；
快速模式：400kHz；
高速模式：3.4MHz；
二、協(xié)議解析
對于嵌入式開發(fā)的朋友來說，I2C協(xié)議實在是再熟悉不過了，有太多的器件，采用的都是通過I2C來進行相應(yīng)的設(shè)置。
I2C協(xié)議中最重要的一點是I2C地址。這個地址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個地址，而在實際使用中基本上不會掛載如此多的設(shè)置，所以很多設(shè)備的地址都采用7位，所以本文接下來的說明都是基于此。
I2C還有一個很重要的概念，就是“主—從”。對于從設(shè)備來說，它是啥都不干的，更不會自動發(fā)送數(shù)據(jù)；而主設(shè)備，則是起到控制作用，一切都是從它開始。
除了GND以外，I2C有兩根線，分別是SDA和SCL，所有的設(shè)備都是接到這兩根線上。那么，這些設(shè)備如何知道數(shù)據(jù)是發(fā)送給它們呢？這就得依靠前面所說到的地址了。設(shè)備I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因為只能有127個地址，地址沖突是很常見的，所以一般設(shè)備都會有一個地址選擇PIN，比如拉高時候為0x50，接地為0x60。如果無論拉高還是接地，都和別的芯片有沖突，那該怎么辦呢？答案是：只能換芯片了。
我們來看I2C協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸時序圖：
SCL是時鐘，SDA承載的是數(shù)據(jù)。當SDA從1變動到0，而SCL還是1時，表示開始數(shù)據(jù)傳輸。接下來的7位，就是設(shè)備的地址。緊接著的是讀寫標志，其為1時是讀取，為0則是寫。如果I2C總線上存在著和請求的地址相對應(yīng)的設(shè)備，則從設(shè)備會發(fā)送一個ACK信號通知主設(shè)備，可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。接到ACK信號后，主設(shè)備則發(fā)送一個8位的數(shù)據(jù)。當傳輸完畢之后，SCL保持為1，SDA從0變換到1時，標明傳輸結(jié)束。
從這個時序圖中可以看到，SCL很重要，并且哪個時鐘沿是干嘛的，都是確定好的。比如，前面7個必定是地址，第8個是讀寫標志，數(shù)據(jù)傳輸必須是8位，必須接個ACK信號等等。
前面的時序圖并沒有標明數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍覀儸F(xiàn)在看看寫操作的數(shù)據(jù)流向：
網(wǎng)格的是主設(shè)備發(fā)送的，白色格子是從設(shè)備發(fā)送的。從圖示中可以看到，對于寫操作，從設(shè)備都只是發(fā)送ACK進行確認而已。
而讀操作的數(shù)據(jù)流向，就有所不同，如圖：
這時候，從設(shè)備除了發(fā)送ACK以外，緊跟著的還有數(shù)據(jù)。我們用示波器來查看波形圖，以便于理解。
將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖:
從圖中可知時序如下：
由主機發(fā)起，在SCL為高電平時，SDA由高到低切變，形成開始信號；
接著是7位地址和一位讀寫標志，這里7位地址為0111100，即0x3c，正是我們代碼中設(shè)置的地址ID；最后一位為0表示寫操作；
接著在下一個時鐘，主機以高電平狀態(tài)釋放SDA，這時從機響應(yīng)，將SDA拉低了；
接著是兩個8位數(shù)據(jù)00101110與響應(yīng)，即0x2E，正是“.”號的ASCII碼，符合預(yù)期輸出；
還有其它數(shù)據(jù)和最后的停止位，圖中被截掉了。
從圖中可知，縱向一格是200mV，則SDA和SCL的電平大概就是350mV；由于信號筆上設(shè)置了信號x10，因此實際電平應(yīng)該大概是3.5V（理論上應(yīng)該是3.3V）。橫向一格是25us，10個時鐘周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每個時鐘周期是10us，可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s，即100k bps。
既有讀又有寫的波形圖：
I2C是由2根線進行操作的，一個是主控時序SCL，另一根主控數(shù)據(jù)SDA
對于操作主要分成讀寫，讀寫的兩個操作有部分是相似的
而時序的操作主要分為：START,DATA,ACK,STOP,NOACK
寫的時序用到的時序為:STRAR,DATA,ACK,STOP
時序如圖所示：
讀時序用到的時序有：START,DATA,ACK,STOP,NOACK
時序如圖所示：
下面對時序的說明：
IDLE：空閑的時候，盡量將SDA和SCL拉到高電平
START：保持SCL為高電平，然后SDA由H->L
DATA：數(shù)據(jù)是當SCL為高電平的時候采集的數(shù)據(jù)才是有效的數(shù)據(jù).
ACK：在發(fā)完數(shù)據(jù)后，從設(shè)備會將SDA拉到L
NOACK：在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，從設(shè)備不會將SDA拉低
STOP：保持SCL為高電平，然后SDA由L->H
好了，說一下時序的流程和時序圖：
寫時序的流程是：START –>
從設(shè)備的寫地址 –> ACK –>
從設(shè)備的寄存器地址 –> ACK –>
寫入的數(shù)據(jù) –> ACK –>
STOP
寫時序圖：
讀時序的流程是：START –>
從設(shè)備的寫地址 –> ACK –>
從設(shè)備的寄存器地址 –> ACK –>
從設(shè)備的讀地址 –> ACK ->
讀出的數(shù)據(jù) –> NOACK –>
STOP
讀時序圖：
其中要注意的是I2C的2根線上都必須接上拉電阻，阻值一般是4.7K
在獲得ACK的時候，一般將SDA輸出一個高阻，然后再讀入ACK，好讓從設(shè)備拉低SDA。
2、I2C與SMBus的區(qū)別
關(guān)于I2C與SMBus，許多人很少去談?wù)撆c了解兩者的細節(jié)差異，包括很多國外的簡報，文章也經(jīng)常將兩者混寫、交雜描述、交替運用。確實，在一般運用下，I2C Bus與SMBus沒有太大的差別，從實際接線上看也幾乎無差異，甚至兩者直接相連多半也能相安無誤地正確互通并運作。不過若真要仔細探究，其實還是有諸多不同，如果電子設(shè)計工程師不能明辨兩者的真實差異，那么在日后的開發(fā)設(shè)計的驗證糾錯階段必然會產(chǎn)生困擾，為此本文將從各層面來說明I2CBus與SMBus的細微區(qū)別，期望能為各位帶來些許幫助。首先從規(guī)格的制訂背景開始，I2C是在設(shè)計電視應(yīng)用時所研發(fā)的界面，首版于1992 年發(fā)表；而SMBus（System Management Bus）則是Intel與Duracell（金頂電池）共同制訂筆記本電腦所用的智能型電池（Smart Battery）時所研發(fā)的接口，首版于1995 年發(fā)表，不過SMBus文件中也提及，SMBus確實是參考自I2C，并以I2C為基礎(chǔ)所衍生成。I2C起源于電視設(shè)計，但之后朝通用路線發(fā)展，各種電子設(shè)計都有機會用到I2C；而SMBus則在之后為PC所制訂的先進組態(tài)與電源管理接口（AdvancedConfiguration & Power Interface；ACPI）規(guī)范中成為基礎(chǔ)的管理訊息傳遞接口、控制傳遞接口。雖然I2C與SMBus先后制訂時間不同，但都在2000年左右進入成熟化改版，I2C的過程改版以加速為主要訴求，而SMBus以更切合Smart Battery及ACPI的需求為多。電氣特性差異：邏輯電平定義、限流、相關(guān)限制I2C的Hi/Lo邏輯電平有兩種認定法：相對認定與絕對認定，相對認定是依據(jù)Vdd的電壓來決定，Hi為0.7Vdd，Lo為0.3Vdd，絕對認定則與TTL 準位認定相同，直接指定Hi/Li電壓，Hi為3.0V，Lo為1.5V。相對的SMBus只有絕對認定，且電平與I2C有異，Hi為2.1V，Lo為0.8V，與I2C不全然吻合但也算部分交集。不過，SMBus后來也增訂一套更低電壓的電平認定，Hi為1.4V，Lo為0.6V，這是為了讓運用SMBus的裝置能更省成本的作法。了解電壓后再來是電流，由于SMBus一開始就是運用在筆記本電腦內(nèi)，所以省電的表現(xiàn)優(yōu)于I2C，只需100uA就能維持工作，I2C卻要到3mA同樣的低用電特性也反應(yīng)在漏電流（Leakage Current）的要求上，I2C最大的漏電流為10uA，SMBus為1uA，但是1uA似乎過度嚴苛，使運用SMBus的裝置在驗證測試時耗費過多的成本與心力，因此之后的SMBus 1.1版放寬了漏電流上限，最高可至5uA。再者是相關(guān)限制，I2C有線路電容的限制，SMBus卻沒有，但也有相類似的配套規(guī)范，即是電平下拉時的電流限制，當SMBus的集電極開路Pin導(dǎo)通而使線路接地時，流經(jīng)接地的電流不能高于350uA，另上電流（即相同的集電極開路Pin開路時）也一樣有規(guī)范，最小不低于100uA，最高也是不破350uA的。既然對電流有限制，那么也可容易地推斷對上拉電阻的阻值之范圍要求，I2C 在5V Vdd時當大于1.6kohm，在3V Vdd時當大于1kohm，類似的SMBus于5V Vdd時當大于14kohm，3V Vdd時當大于8.5kohm，不過這個定義并非牢不可破，就一般實務(wù)而言，在SMBus上也可用2.4k?3.9kohm范疇的阻值。附注：I2C的時鐘線稱SCK或SCL，數(shù)據(jù)線稱SDA。SMBus的時鐘線稱SMBCLK，數(shù)據(jù)線稱SMBDAT。I2C與SMBus 在邏輯位準的電壓定義不盡相同，基本上I2C的定義較為寬裕、彈性，而SMBus 則更專注在省電方面的要求。物理層面的空間要求完后，再來就是物理層面的時間，即是時序（Timing）方面的差別。先以運作頻率來說，I2C此方面相當寬裕，最低頻可至0Hz（直流狀態(tài)，等于時間暫停），高可至100kHz（Standard Mode）、400kHz（Fast Mode）、乃至3.4MHz（High Speed Mode），相對的SMBus就很局限，最慢不慢于10kHz，最快不快于100kHz。很明顯的，I2C與SMBus的交集運作頻率即是10kHz?100kHz間。用于筆記本電腦的電池管理或PC組態(tài)管理、用電管理的SMBus，很容易體會不需要更高運作頻率的理由，只要傳遞小數(shù)據(jù)量的監(jiān)督信息、控制指令本就不用過于高速，而朝向廣泛運用的I2C自然希望用更高的傳輸以應(yīng)對各種可能的需求。然而大家可能會疑惑，為何SMBus有最低速的要求？何不放寬到與I2C相同的無最低速限制呢？SMBus一定要維持10kHz以上的運作頻率，主要也是為了管理監(jiān)控，另一個用意是只要在保持一定傳速運作的情況下加入?yún)?shù)，就可輕松獲知總線目前是否處于閑置（Idle）中，省去逐一偵測傳輸過程中的停斷（STOP）信號，或持續(xù)保有停斷偵測并輔以額外參數(shù)偵測，如此對總線閑置后的再取用會更有效快速。傳速要求之后還有數(shù)據(jù)保持時間（Data Hold Time）的要求，SMBus 規(guī)定SMBCLK線路的電平下降后，SMBDAT上的數(shù)據(jù)必須持續(xù)保留300nS，但I2C 卻沒有對此有相同的強制要求。類似的，SMBus對接口被重置（Reset）后的恢復(fù)時間（Timeout）也有要求，一般而言是35mS，I2C這方面亦無約束，可以任意延長時間。相同的SMBus也要求無論是在主控端（Master）或受控端（Slave），其頻率處于Lo電平時的最長持續(xù)時間不得超越限制，以免因為長時間處在Lo準位，而致收發(fā)兩端時序脫軌（失去同步，造成后續(xù)誤動作）。還有，I2C與SMBus在信號的上升時間、下降時間等也有不同的細節(jié)要求，此點必要時也必須進行確認，或在驗證過程中稍加留意。Smart Battery或ACPI的實現(xiàn)、監(jiān)督、與操控，最底層都需要SMBus（圈處）作為后援，圖為簡易的多組式智能型電池系統(tǒng)，圖中有Smart Battery A、B 兩組電池。不單是電氣、時序有別，更深層次的協(xié)議機制也有不同。在I2C中，主控端發(fā)送端(主控端)要與接收端(受控端)通訊前，會在總線上廣播受控端的地址信息，每個接收端都會接收到地址信息，但只有與該地址信息相切合的接收端會在地址信息發(fā)布完后發(fā)出「已妥」的回應(yīng)（Acknowledge；ACK），讓發(fā)送端知道對應(yīng)的接收端確實已經(jīng)備妥，可以進行通訊。但是，I2C并沒有強制規(guī)定接收端非要做出響應(yīng)不可，也可以默不作聲，即便默不作聲，發(fā)送端還是會繼續(xù)工作，開始進行數(shù)據(jù)傳遞及下達讀／寫指令，如此的機制在一般運用中還是可行，但若是在一些實時（Real Time）性的應(yīng)用上，任何的動作與機制都有一定的時限要求，這種可有可無式的響應(yīng)法就會產(chǎn)生問題，可能會導(dǎo)致受控端無法接收信息。相同的情形，在SMBus上是不允許接收端在接收地址信息后卻不發(fā)出回應(yīng)，每次都要回應(yīng)，為何要強制回應(yīng)？其實與SMBus的應(yīng)用息息相關(guān)，SMBus上所連接的受控裝置有時是動態(tài)加入、動態(tài)移除的，例如換裝一顆新電池，或筆記本電腦接上DOCK PORT等，如果接入的裝置已經(jīng)改變卻沒有回應(yīng)，則主控端的程序所掌握的并非是整體系統(tǒng)的最新組態(tài)，就會造成誤動作。類似的情形也適用于ACPI，PC機內(nèi)機外經(jīng)常有一些裝置可動態(tài)增入、移除，如機內(nèi)風扇、外接打印機等，這些也一樣該強制對主控端群發(fā)(廣播)的地址信息作出完整響應(yīng)。地址動作方面有異，數(shù)據(jù)傳輸方面也有異。在I2C方面，Slave雖然對Master 所發(fā)出的地址作出響應(yīng)，但在后續(xù)的數(shù)據(jù)傳遞中，可能因某些事務(wù)必須先行處理、因應(yīng)而無法持續(xù)原有的傳輸，這時候Slave就要對Master發(fā)出「未妥」的回應(yīng)（Not Acknowledge；NACK），向Master 表示Slave正為他務(wù)忙碌中。而SMBus方面，與I2C相同的，會以NACK的回訊向Master表達Slave尚未收妥傳遞的信息，但是SMBus的Slave會在后續(xù)的每個Byte傳輸中都發(fā)出NACK回信，這樣設(shè)計的原因是因為SMBus沒有其他可向Master要求重發(fā)（Resend）的表示法。更直接說就是：NACK機制是SMBus標準中的強制必備，任何的訊息傳遞都很重要，不允許有漏失。I2C在完成一段地址或數(shù)據(jù)信息的傳輸后，受接端可發(fā)出訊息收妥（ACK）、未妥（NACK的響應(yīng)，SMBus也具相同的機制，但由于應(yīng)用之故有更強制的回顯請求。互動知會機制上有強制與否的差別，協(xié)議方面也是。SMBus的通訊協(xié)議與協(xié)議中所用的訊息格式，其實只是取自I2C 規(guī)范中，對于數(shù)據(jù)傳輸格式定義中的子集合（Subset）而已。所以，如果將I2C與SMBus交混連接，則I2C裝置在存取SMBus裝置時，只能使用SMBus范疇的協(xié)議與格式，若使用I2C的標準存取方式反而無法正確存取。另外，I2C規(guī)范中有一種稱為「General Call」的廣呼方式，當發(fā)出「0000000」的地址信息后，所有I2C上的Slave裝置統(tǒng)統(tǒng)要對此作出反應(yīng)，此機制適合用在Master要對所有的Slave進行廣播性訊息更新與溝通上，是一種總體、批次的運作方式。SMBus一樣有General Call機制，但在此之外SMBus還多了一種特用的ALERT（警訊）機制，不過這必須于頻率線與數(shù)據(jù)線外再追加一條線（稱為：SMBSUS）才能實現(xiàn)，ALERT雖名為警訊但其實是中斷（Interrupt）的用意，Slave可以將SMBSUS線路的電位拉低（ALERT#，#表示低電平有效），這時就等于向Master發(fā)出一個中斷警訊，要求Master盡速為某一Slave提供傳輸服務(wù)。Master要響應(yīng)這個服務(wù)要求，是透過I2C/SMBus的頻率線與數(shù)據(jù)線來通訊，但要如何知道此次的通訊只是Master對Slave的一般性通訊？還是特別針對Slave的中斷需求而有的服務(wù)響應(yīng)？這主要是透過Master發(fā)出的地址信息來區(qū)別，若為回應(yīng)中斷的服務(wù)，地址信息必然是「0001100」，當Slave接收到「0001100」的地址信息，就知道這是Master特為中斷而提供的服務(wù)通訊。因此，軟件工程師須留心，規(guī)劃時必須讓所有的Slave都不能占用「0001100」這個地址，以供ALERT機制運用（當然！若現(xiàn)在與未來都不會用上ALERT機制則可盡管占用）。事實上各種進階的規(guī)范標準（如Smart Battery、ACCESS.bus、VESA DDC 等）都在I2C的短尋址中訂立了一些為自用而保留的地址，這在最初設(shè)計與定義時就該有所留意，以免因先行占用而導(dǎo)致日后須改寫軟件的麻煩。補充提醒的是，SMBSUS一樣是開集電極外加上拉電阻的線路，所以有一個Slave將電位拉下后，其余Slave偵測到電位被拉下，表示已有Slave正在與Master進行中斷需索與響應(yīng)服務(wù)，須等待搶到中斷服務(wù)權(quán)的Slave確實被服務(wù)完畢，重新將SMBSUS釋放回高電平后，才能持續(xù)以“看誰能先將線路電平拉低？”的方式來爭取中斷服務(wù)。本文整理自：
《I2C協(xié)議快速解析》作者 k_linux_man
《I2C協(xié)議---I2C時序圖解析》作者：csdn4646
