### I2C总线协议知识点概述
#### 一、I2C总线规范的历史与演进
- **1.1 版本1.0-1992：**
- 删除了通过软件编程设定从机地址的功能，因其复杂且不常用。
- 取消了“低速模式”，该模式实际上是I2C总线规范的一部分，无需单独说明。
- 引入了“快速模式”，将传输速率提升至400kbit/s，快速模式器件能够向下兼容较低速率。
- 增加了“10位寻址”，使得可以支持更多的从机地址（1024个额外地址）。
- **1.2 版本2.0-1998：**
- 随着I2C总线成为国际标准并在众多集成电路中实现，此版本主要应对更高总线速度及更低电源电压的需求。
- 新增“高速模式”(Hs模式)，最高位速率可达3.4Mbit/s，支持与快速/标准模式器件共存。
- 对于2V或更低电源电压的器件，调整了低输出电平和滞后以符合噪声容限要求，并保持与高电压器件的兼容性。
- 删除了快速模式输出级的0.6V/6mA要求。
- 替换了新器件的固定输入电平为与总线电压相关的电平。
- 添加了关于双向电平转换器的应用信息。
- **1.3 版本2.1-2000：**
- 在Hs模式下，重复起始条件后可以延长时钟信号SCLH。
- 一些Hs模式下的时序参数变得更加宽松。
- **1.4 购买Philips的I2C总线元件：**
- 购买Philips的I2C元件同时意味着获得了许可。
#### 二、I2C总线的优势
- **2.1 设计人员的得益：**
- 简化了硬件设计，减少了所需的引脚数量，降低了成本。
- 支持多种速度模式，便于根据应用场景选择合适的传输速率。
- 提供了良好的电磁兼容性(EMC)性能。
- 具备强大的错误检测和恢复能力。
- **2.2 厂商的得益：**
- 标准化接口简化了产品设计过程，加快了上市时间。
- 由于其广泛的支持和标准化特性，容易找到兼容的组件。
- 降低了生产成本并提高了产品的市场竞争力。
#### 三、I2C总线的基本概念与特征
- **4 I2C总线的概念：**
- I2C总线是一种两线式串行通信协议，主要用于短距离通信。
- 包括一条串行数据线(SDA)和一条串行时钟线(SCL)。
- 支持多主控模式，允许多个设备共享总线控制权。
- **5 总体特征：**
- 使用开放式漏极或开路集电极驱动技术。
- 数据传输采用同步方式，由时钟信号进行同步。
- 支持多种速度模式：标准模式（最高100kbit/s）、快速模式（最高400kbit/s）、高速模式（最高3.4Mbit/s）。
- **6 位传输：**
- **6.1 数据的有效性：** 当SCL处于高电平时，SDA上的数据必须保持稳定。
- **6.2 起始和停止条件：** 起始条件是当SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平；停止条件则相反。
- **7 传输数据：**
- **7.1 字节格式：** 每次传输包括8位数据，高位在前。
- **7.2 响应：** 每个字节传输后，接收方会发送一个ACK或NACK作为响应。
- **8 仲裁与时钟发生：**
- **8.1 同步：** 通过时钟信号SCL来同步数据传输。
- **8.2 仲裁：** 多个主设备竞争总线控制权时，通过逐位比较SDA上的数据来决定哪个设备获得控制权。
- **8.3 用时钟同步机制作为握手：** 时钟信号的变化作为传输开始和结束的标志。
#### 四、地址格式与寻址
- **9 7位的地址格式：**
- I2C总线支持7位寻址，每个从机有一个唯一的7位地址。
- 地址空间最多可以支持128个不同的设备。
- **10 7位寻址：**
- **10.1 第一个字节的位定义：** 第一个字节包括7位地址和方向位（读/写）。
- **10.1.1 广播呼叫地址：** 特殊的地址用于向所有或部分设备发送消息。
- **10.1.2 起始字节：** 起始字节包含地址和方向信息。
- **10.1.3 CBUS的兼容性：** 提供了与旧版CBUS协议的兼容性。
- **14 10位寻址：**
- 扩展了寻址范围，支持高达1024个额外的从机地址。
- **14.1 头两个字节位的定义：** 第一个字节为地址的高位，第二个字节为地址的低位和方向位。
- **14.2 10位寻址的格式：** 地址由两个字节组成，第一个字节的第7位为寻址模式位，用于区分7位和10位寻址。
- **14.3 广播呼叫地址和10位寻址的起始字节：** 对于10位寻址，第一个字节包含地址高位和寻址模式位，第二个字节包含地址低位和方向位。
#### 五、I2C总线的速度模式
- **12 快速模式：**
- 适用于需要较高数据传输速率的应用场景，最高支持400kbit/s。
- 快速模式器件向下兼容标准模式。
- **13 Hs模式：**
- **13.1 高速传输：** 提供了最高的数据传输速率，最高达3.4Mbit/s。
- **13.2 Hs模式的串行数据传输格式：** 与标准和快速模式相比，Hs模式采用了不同的数据传输格式。
- **13.3 从F/S模式切换到Hs模式以及返回：** 支持动态切换速度模式，以适应不同应用场景的需求。
- **13.4 低速模式中的快速模式器件：** 快速模式器件可在低速模式中使用，但速度受限。
- **13.5 串行总线系统的混合速度模式：** 允许不同速度模式的器件在同一总线上共存。
- **13.5.1 在混合速度总线系统中的F/S模式传输：** 快速模式器件可以在标准模式下工作，但速度受限。
- **13.5.2 在混合速度总线系统中的Hs模式传输：** 高速模式器件可以在较低速度下运行，但在高速模式下效率更高。
- **13.5.3 混合速度总线系统中电桥的时序要求：** 为了确保数据正确传输，电桥需要遵循特定的时序要求。
#### 六、电气规范与时序
- **15 I/O级和总线线路的电气规范和时序：**
- **15.1 标准和快速模式器件：** 规定了标准和快速模式下器件的电气特性和时序要求。
- **15.2 Hs模式器件：** 针对高速模式下器件的特殊电气规范和时序要求。
- **16 I2C总线器件到总线线路的电气连接：**
- **16.1 标准模式I2C总线器件电阻Rp和RS的最大和最小值：** Rp和RS分别是上拉电阻和下拉电阻，用于维持总线状态和确保数据完整性。
- **17.5 Hs模式I2C总线器件的电阻Rp和RS的最大和最小值：** 高速模式下，Rp和RS的取值范围可能会有所不同，以适应更高的数据传输速率。
#### 七、应用信息
- **17.1 快速模式I2C总线器件的斜率控制输出级：** 通过斜率控制减少电磁干扰。
- **17.2 快速模式I2C总线器件的开关上拉电路：** 上拉电路用于提高总线稳定性。
- **17.3 总线线路的配线方式：** 适当的配线方式有助于减少信号反射和提高信号质量。
- **17.4 快速模式I2C总线器件电阻Rp和RS的最大和最小值：** 规定了Rp和RS的推荐值，以确保快速模式下的正常操作。
- **17.5 Hs模式I2C总线器件的电阻Rp和RS的最大和最小值：** 规定了高速模式下Rp和RS的具体值，以确保高速数据传输的稳定性。
#### 八、双向电平转换器
- **18 F/S模式I2C总线系统的双向电平转换器：** 用于在不同逻辑电平之间进行转换，以确保不同电压域内的器件可以相互通信。
- **18.1 连接逻辑电平不同的器件：** 双向电平转换器能够连接具有不同逻辑电平的器件。
- **18.1.1 电平转换器的操作：** 描述了电平转换器如何工作，以实现不同电压域之间的通信。
#### 九、其他相关信息
- **19 Philips提供的开发工具：** 提供了各种工具和支持资源，以帮助设计人员更好地利用I2C总线技术。
- **20 支持的文献：** 列出了可用于进一步研究的相关文档和技术资料。
通过以上对I2C总线协议的知识点的详细阐述，我们可以清晰地了解到I2C总线的发展历程、特点、优势及其具体的技术细节。无论是对于硬件设计人员还是系统集成商来说，掌握这些知识点都是非常重要的。
