### I2C协议知识点
#### 一、I2C总线规范概述
I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线技术，用于连接微控制器与各种外围设备。I2C总线通过两条线（SCL和SDA）进行通信，SCL为时钟信号线，SDA为数据信号线。
#### 二、I2C总线规范的历史版本
- **版本1.0-1992**：该版本删除了软件编程从机地址的功能，并增加了快速模式，使得位速率提高至400kbit/s。此外，还引入了10位寻址，以支持更多的从机地址。
- **版本2.0-1998**：此版本增加了高速模式（Hs模式），位速率可高达3.4Mbit/s，并且支持与快速模式和标准模式的器件混合使用。针对电源电压较低的场景进行了优化。
- **版本2.1-2000**：在Hs模式中引入了一些灵活性改进，并对部分时序参数进行了调整。
#### 三、I2C总线的优势
- **设计人员的得益**：
- **简化电路设计**：由于只需要两条线进行通信，这大大简化了电路板的设计。
- **减少布线成本**：较少的引脚数量降低了布线难度，减少了PCB上的空间需求。
- **易于扩展**：I2C总线上可以挂载多个设备，便于系统扩展。
- **厂商的得益**：
- **标准化接口**：统一的接口标准有助于不同厂商之间的产品兼容。
- **降低成本**：简化的设计和布线降低了制造成本。
- **提高可靠性**：I2C总线的简单性和标准化减少了故障点。
#### 四、I2C总线的概念
I2C总线由主设备和从设备组成，主设备负责发起通信并控制时钟信号，而从设备则根据主设备的命令执行相应的操作。
#### 五、I2C总线的总体特征
- **通信方式**：半双工通信，即数据发送和接收不能同时进行。
- **地址分配**：每个设备都有一个唯一的7位或10位地址。
- **数据传输**：数据以字节为单位进行传输，每个字节之后通常会有一个应答位。
#### 六、位传输
- **数据有效性**：当SCL处于高电平时，SDA的数据必须保持稳定。
- **起始和停止条件**：起始条件是指SCL为高电平时SDA由高变低；停止条件则是指SCL为高电平时SDA由低变高。
#### 七、传输数据
- **字节格式**：每个字节包含8位数据和1位应答位。
- **应答**：应答位用来确认数据的正确接收，通常从设备会在接收到一个字节后的第9个时钟周期给出应答。
#### 八、仲裁与时钟发生
- **同步**：所有设备共享同一个时钟信号SCL，以确保数据传输的同步性。
- **仲裁**：当多个主设备试图控制总线时，I2C总线具有内置的仲裁机制来解决冲突。
- **时钟同步机制作为握手**：通过时钟同步来确认数据的正确传输，这相当于一种简单的握手协议。
#### 九、7位地址格式
- **地址结构**：7位地址格式包括一个读/写位和6位的设备地址。
- **寻址方法**：通过7位地址来唯一标识一个设备。
#### 十、10位寻址
- **地址结构**：10位地址格式包括一个读/写位、3位的附加地址和6位的基本设备地址。
- **寻址方法**：10位寻址允许更多的从机地址，最多支持1024个从机地址。
#### 十一、高速模式（Hs模式）
- **高速传输**：Hs模式下的位速率最高可达3.4Mbit/s。
- **串行数据传输格式**：Hs模式下，数据传输格式与标准模式相似，但时序参数有所不同。
- **从F/S模式切换到Hs模式**：设备可以从标准或快速模式无缝切换到Hs模式。
#### 十二、混合速度模式
- **在混合速度总线系统中的传输**：在包含多种速度模式设备的系统中，需要采用适当的时序要求和电平转换器来确保兼容性。
#### 十三、I2C总线的电气规范与时序
- **标准和快速模式器件**：包括最大和最小值的电阻Rp和Rs。
- **Hs模式器件**：针对高速模式的特殊电气规范。
- **电平转换器**：用于连接逻辑电平不同的I2C器件，确保数据传输的准确性。
#### 十四、总结
I2C总线作为一种成熟的串行通信协议，在各种嵌入式系统中广泛应用。从最初的版本发展至今，I2C总线不断优化升级，以适应现代电子产品的更高要求。无论是对于硬件设计工程师还是软件开发人员来说，掌握I2C总线的相关知识都是非常重要的。
