I2C 协议层

    I2C 的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。下面我们就来简单介绍下。

（1）数据有效性规定

    I2C 总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。如下图：

    每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

（2）起始和停止信号

    SCL 线为高电平期间，SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA 线由低电平向高电平的变化表示终止信号。如下图：

    起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。

（3）应答响应

    每当发送器件传输完一个字节的数据后，后面必须紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制 SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号即特定的低电平脉冲，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号即特定的高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。应答响应时序图如下：

    每一个字节必须保证是 8 位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有 9 位）。

    由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时 （如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

    如果从机对主机进行了应答， 但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

    当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

    这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。

（4）总线的寻址方式

    I2C 总线寻址按照从机地址位数可分为两种，一种是 7 位，另一种是10 位。采用 7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）的位定义如下：

    D7～D1 位组成从机的地址。D0 位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。

    10位寻址和 7 位寻址兼容，而且可以结合使用。10 位寻址不会影响已有的7 位寻址，有 7 位和 10 位地址的器件可以连接到相同的 I2C 总线。我们就以7位寻址为例进行介绍。

    当主机发送了一个地址后，总线上的每个器件都将头 7 位与它自己的地址

比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，其他地址不同的器件将被忽略后面的数据信号。至于是从机接收器还是从机发送器，都由 R/W 位决定的。

    从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的 7 位寻址位有4位是固定位，3 位是可编程位，这时仅能寻址8 个同样的器件，即可以有 8 个同样的器件接入到该 I2C 总线系统中。

（5）数据传输

    I2C 总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7 位），第 8 位是数据的传送方向位（R/W），用“0”表示主机发送（写）数据（W），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

    在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：

a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变

    注意：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S 表示起始信号，P表示终止信号。

b、主机在第一个字节后，立即从从机读数据

c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复

产生一次，但两次读/写方向位正好反相

    到这里我们就介绍完了I2C总线， 现如今大部分的MCU都自带I2C总线接口，STM32F1 芯片也不例外，STM32F1 芯片自带 2 个 I2C 接口，I2C1 和 I2C2，但是本章实验我们不使用 STM32F1自带的硬件 I2C，而采用软件模拟 I2C。主要原因是STM32F1 的硬件 IIC 设计的比较复杂， 而且稳定性不怎么好， 程序移植比较麻烦，而用软件模拟 IIC，最大的好处就是移植方便，同一个代码兼容所有单片机，任何一个单片机只要有 IO 口（不需要特定 IO），都可以很快的移植过去。有兴趣的朋友，可以结合 STM32F1中文参考手册学习下硬件 I2C。