一、I2C協(xié)議I2C 也叫 IIC（Inter－Integrated Circuit）總線，是一種由PHILIPS公司在80年代開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。它是半雙工通信方式。 我們首先閱讀以下這個例子，這會方便后面大家進一步理解I2C協(xié)議： 如圖所示，老師（MCU）將球（數(shù)據(jù)）傳給眾多學(xué)生中的一個（眾多外設(shè)設(shè)備中的一個）。
首先老師將球踢給某學(xué)生，即主機發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，步驟如下：
① 老師：開始了(start)；
② 老師：A！我要發(fā)球給你！(地址/方向)；
③ 學(xué)生A：到！(回應(yīng))；
④ 老師把球發(fā)出去（傳輸）；
⑤ A收到球之后，應(yīng)該告訴老師一聲（回應(yīng)）；
⑥ 老師：結(jié)束（停止）；
接著老師讓學(xué)生把球傳給自己，即從機發(fā)送數(shù)據(jù)給主機，步驟如下：
① 老師：開始了(start)；
② 老師：B！把球發(fā)給我！(地址/方向)；
③ 學(xué)生B：到！
④ B把球發(fā)給老師（傳輸）；
⑤ 老師收到球之后，給B說一聲，表示收到球了（回應(yīng)）；
⑥ 老師：結(jié)束（停止）。
從上面的例子可知，都是老師（主機）主導(dǎo)傳球，按照規(guī)范的流程（通信協(xié)議），以保證傳球的準(zhǔn)確性，
收發(fā)球的流程總結(jié)如下：
① 老師說開始了，表示開始信號(start)；
② 老師提醒某個學(xué)生要發(fā)球，表示發(fā)送地址和方向(address/read/write)；
③ 該學(xué)生回應(yīng)老師(ack)；
④ 老師發(fā)球/接球，表示數(shù)據(jù)的傳輸；
⑤ 收到球要回應(yīng)：回應(yīng)信號(ACK)；
⑥ 老師說結(jié)束，表示IIC傳輸結(jié)束。
以上就是I2C的傳輸協(xié)議，如果是使用IO口來模擬I2C協(xié)議，那么就得需要依次實現(xiàn)上述每個步驟。 二、I2C物理層這里提個小問題，什么是物理層？ 我們可以以分層的思想來理解，例如對于通信協(xié)議，我們可以把它分為物理層和協(xié)議層。 物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。 協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。 簡單來說物理層規(guī)定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協(xié)議層則規(guī)定我們用中文還是英文來交流。 I2C通信設(shè)備物理層如圖所示：
I2C通信設(shè)備物理層的特點如下： ① I2C 是一個支持設(shè)備的總線。總線指多個設(shè)備共用的信號線。在一個I2C 通訊總線中，可連接多個I2C 通訊設(shè)備，支持多個通訊主機及多個通訊從機。 ② 一個I2C 總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數(shù)據(jù)線(SDA) ，一條串行時鐘線(SCL)。數(shù)據(jù)線即用來表示數(shù)據(jù)，時鐘線用于數(shù)據(jù)收發(fā)同步。 ③ 每個連接到總線的設(shè)備都有一個獨立地址，主機可以利用這個地址進行不同設(shè)備之間的訪問。 ④ 總線通過上拉電阻接到電源。當(dāng)I2C 設(shè)備空閑時，會輸出高阻態(tài)，而當(dāng)所有設(shè)備都空閑，都輸出高阻態(tài)時，由上拉電阻把總線拉成高電平。 ⑤ 多個主機同時使用總線時，為了防止數(shù)據(jù)沖突，會利用仲裁方式決定由哪個設(shè)備占用總線。 ⑥ 具有三種傳輸模式：標(biāo)準(zhǔn)模式傳輸速率為100kbit/s ，快速模式為400kbit/s ，高速模式下可達(dá) 3.4Mbit/s，但目前大多I2C 設(shè)備尚不支持高速模式。 ⑦ 連接到相同總線的 IC 數(shù)量受到總線的最大電容 400pF 限制 。 三、I2C協(xié)議層I2C 的協(xié)議定義了通信的起始和停止信號、數(shù)據(jù)有效性、響應(yīng)、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環(huán)節(jié)。 1、寫操作剛開始主機要發(fā)出一個start信號，然后發(fā)出一個設(shè)備地址(用來確定是往哪一個從機寫數(shù)據(jù))，方向(讀/寫，0表示寫，1表示讀)。
回應(yīng)(用來確定這個設(shè)備是否存在)，然后就可以傳輸數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)之后，要有一個回應(yīng)信號（確定數(shù)據(jù)是否接受完成)，然后再傳輸下一個數(shù)據(jù)。
每傳輸一個數(shù)據(jù)，接受方都會有一個回應(yīng)信號，數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，主機就會發(fā)送一個P停止信號。
2、讀操作剛開始主機要發(fā)出一個start信號，然后發(fā)出一個設(shè)備地址(用來確定是從哪一個芯片讀取數(shù)據(jù))，方向(讀/寫，0表示寫，1表示讀)。
回應(yīng)(用來確定這個設(shè)備是否存在)，然后就可以傳輸數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)之后，要有一個回應(yīng)信號（確定數(shù)據(jù)是否接受完成)，然后在傳輸下一個數(shù)據(jù)。
每傳輸一個數(shù)據(jù)，接受方都會有一個回應(yīng)信號，數(shù)據(jù)發(fā)送完之后，主機就會發(fā)送一個P停止結(jié)束信號。
3、起始信號與停止信號起始信號S和停止信號P是兩種特殊的狀態(tài)。 當(dāng) SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通信的起始。 當(dāng) SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，表示通信的停止。 起始和停止信號一般由主機產(chǎn)生。
 4、設(shè)備地址與數(shù)據(jù)方向I2C 總線上的每個設(shè)備都有自己的獨立地址，主機發(fā)起通信時，通過SDA 信號線發(fā)送設(shè)備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機。 I2C 協(xié)議規(guī)定設(shè)備地址可以是 7 位或 10 位，實際中 7 位的地址應(yīng)用比較廣泛。 緊跟設(shè)備地址的一個數(shù)據(jù)位用來表示數(shù)據(jù)傳輸方向，它是數(shù)據(jù)方向位(R/W)，第 8 位或第 11 位。 數(shù)據(jù)方向位為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)，該位為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)。 
注意：讀數(shù)據(jù)方向時，主機會釋放對SDA 信號線的控制，由從機控制SDA 信號線，主機接收信號；寫數(shù)據(jù)方向時，SDA 由主機控制，從機接收信號。
5、數(shù)據(jù)有效性I2C 使用 SDA 信號線來傳輸數(shù)據(jù)，使用 SCL 信號線進行數(shù)據(jù)同步。 SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變。 換言之，SCL為高電平時表示有效數(shù)據(jù)，SDA為高電平表示“1”，低電平表示“0”；SCL為低電平時表示無效數(shù)據(jù)，此時SDA會進行電平切換，為下次數(shù)據(jù)表示做準(zhǔn)備。 
6、應(yīng)答信號I2C 的數(shù)據(jù)和地址傳輸都帶響應(yīng)。 響應(yīng)包括“應(yīng)答(ACK)”和“非應(yīng)答(NACK)”兩種信號。 I2C每次傳輸?shù)?位數(shù)據(jù)，每次傳輸后需要從機反饋一個應(yīng)答位，以確認(rèn)從機是否正常接收了數(shù)據(jù)。 當(dāng)主機發(fā)送了8位數(shù)據(jù)后，會再產(chǎn)生一個時鐘，此時主機放開SDA的控制，讀取SDA電平，在上拉電阻的影響下，此時SDA默認(rèn)為高，必須從機拉低，以確認(rèn)收到數(shù)據(jù)。 作為數(shù)據(jù)接收端時，當(dāng)設(shè)備(無論主從機)接收到I2C 傳輸?shù)囊粋€字節(jié)數(shù)據(jù)或地址后，若希望對方繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則需要向?qū)Ψ桨l(fā)送“應(yīng)答(ACK)”信號，發(fā)送方會繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)；若接收端希望結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，則向?qū)Ψ桨l(fā)送“非應(yīng)答(NACK)”信號，發(fā)送方接收到該信號后會產(chǎn)生一個停止信號，結(jié)束信號傳輸。 
7、傳輸時序圖
從圖中可以看出：
① SDA和SCL開始都為高電平，然后主機將SDA拉低，表示開始信號. ② 在接下來的8個時間周期里，主機控制SDA的高低，發(fā)送從機地址。其中第8位如果為0，表示接下來是寫操作，即主機傳輸數(shù)據(jù)給從機；如果為1，表示接下來是讀操作，即從機傳輸數(shù)據(jù)給主機；另外，數(shù)據(jù)傳輸是從最高位到最低位，因此傳輸方式為MSB（Most Significant Bit）。 ③ 總線中對應(yīng)從機地址的設(shè)備，發(fā)出應(yīng)答信號。 ④ 在接下來的8個時間周期里，如果是寫操作，則主機控制SDA的高低；如果是讀操作，則從機控制SDA的高低。 ⑤ 每次傳輸完成，接收數(shù)據(jù)的設(shè)備，都發(fā)出應(yīng)答信號。 ⑥ 最后，在SCL為高電平時，主機由低拉高SDA，表示停止信號，整個傳輸結(jié)束。 8、一些疑問問題一：如何在SDA上實現(xiàn)雙向傳輸？
答：主芯片通過一根SDA線既可以把數(shù)據(jù)發(fā)給從設(shè)備，也可以從SDA上讀取數(shù)據(jù)，連接SDA線的引腳里面必然有兩個引腳（發(fā)送引腳/接受引腳）。
問題二：主設(shè)備(從設(shè)備)發(fā)送數(shù)據(jù)時，從設(shè)備(主設(shè)備)的發(fā)送引腳，不影響數(shù)據(jù)的發(fā)送，怎么做到呢？
答：里面放一個三極管，使用開極(極電集開發(fā)出去作為輸出)電路，如下圖
下面畫一個真值表:
從真值表和電路圖我們可以知道，當(dāng)某一個芯片不行影響SDA線時，那就不驅(qū)動這個三極管。
從下面的例子可以看看數(shù)據(jù)是怎么傳的（實現(xiàn)雙向傳輸），比如主設(shè)備發(fā)送（8bit）給從設(shè)備：
① 前8個clk，由主設(shè)備決定數(shù)據(jù)：從設(shè)備不驅(qū)動三極管；主設(shè)備決定數(shù)據(jù)；
② 第9個clk，由從設(shè)備決定數(shù)據(jù)：主設(shè)備不驅(qū)動三極管；從設(shè)備決定數(shù)據(jù)；
從上面的例子，就可以知道，怎樣在一條線上實現(xiàn)，雙向傳輸?shù)霓k法。
這就是為什么在SDA,SCL上放上拉電阻的原因。
在第9個時鐘之后，如果有某一方處于繁忙狀態(tài)，它可以一直把SCL拉低當(dāng)SCL為低電平時候，大家都不應(yīng)該使用IIC總線，只有當(dāng)SCL從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r候，IIC總線才能被使用。
從前圖我們也可以知道ACK信號應(yīng)該是低電平。主設(shè)備不驅(qū)動三極管，如果從設(shè)備不驅(qū)動三極端的化SDA應(yīng)該是高電平，當(dāng)從設(shè)備接收數(shù)據(jù)之后，發(fā)出回應(yīng)信號的時候，就會驅(qū)動三極管，讓SDA變?yōu)榈碗娖?。所以說：ACK信號是低電平。
對于IIC協(xié)議它只能規(guī)定怎么傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)什么含義它完全不能夠控制，數(shù)據(jù)的含義有從設(shè)備決定。
四、E2PROM存儲器（AT24Cxx）E2PROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。 1、與Flash的異同① E2PROM和Flash的本質(zhì)上是一樣的，F(xiàn)lash包括MCU內(nèi)部的Flash和外部擴展的Flash。 ② 從功能上，F(xiàn)lash通常存放運行代碼，運行過程中不會修改，而E2PROM存放用戶數(shù)據(jù)，可能會反復(fù)修改。 ③ 從結(jié)構(gòu)上，F(xiàn)lash按扇區(qū)操作，E2PROM通常按字節(jié)操作。 2、結(jié)構(gòu)原理E2PROM存儲器市面上各個品牌眾多，但在學(xué)習(xí)中最經(jīng)典就是AT24Cxx系列：
從命名上看，AT24Cxx中xx的單位是K Bit，如AT24C08，其存儲容量為8K Bit。對于AT24C02，其存儲容量為2K Bit，2*1024=2048Bit。
對于AT24C01/02，每頁大小為8 Byte，對于AT24C04/08/16，每頁大小為16 Byte。如圖所示，AT24C02由32頁（Page）組成，每一頁由8個字節(jié)（Byte）組成，每個Byte由8位（Bit）組成，Bit為最小存儲單位，存放1個0或1。
3、設(shè)備地址I2C設(shè)備都會有一個設(shè)備地址，不同容量的AT24Cxx，設(shè)備地址定義會有所差異：
例如AT24C02的容量為2K，對應(yīng)上圖中的第一行，高四位固定為“1010”，中間三位由A2、A1、A0引腳的電平?jīng)Q定，比如A2~A0引腳全接地，則值為“000”，最后的最低位為讀寫位，0代表寫命令，1代表讀命令。 A2、A1、A0引腳電平需要由原理圖決定，假設(shè)全接電源地，則如果需要向AT24C02寫數(shù)據(jù)，則發(fā)送地址“1010 0000”，如果需要向AT24C02讀數(shù)據(jù)，則發(fā)送地址“1010 0001”。 假設(shè)開發(fā)板有多個AT24C02掛在同一I2C總線上，通過這個規(guī)則，只需設(shè)計電路時，讓A2、A1、A0引腳電平不同，即可區(qū)分兩個AT24C02。
對于容量再大一點的AT24Cxx系列，比如AT24C04，器件地址由A2、A1引腳決定，數(shù)據(jù)空間有P0決定。比如對AT24C04的0-2K空間操作，則P0為0，對2K-4K空間操作，則P0為1。 4、寫操作AT24Cxx支持字節(jié)寫模式和頁寫模式。 字節(jié)寫模式是一個地址一個數(shù)據(jù)的寫；頁寫模式是連續(xù)寫數(shù)據(jù)，一個地址多個數(shù)據(jù)的寫，但是頁寫模式不能自動跨頁，如果超出一頁長度，超出的數(shù)據(jù)會覆蓋原先寫入的數(shù)據(jù)。 如圖所示，為AT24Cxx字節(jié)寫模式的時序，在MCU發(fā)出開始信號（Start）后，發(fā)出8 Bit的設(shè)備地址信息（圖中讀寫位為低電平，即寫數(shù)據(jù)），待收到AT24Cxx應(yīng)答信號后，再發(fā)出要寫的數(shù)據(jù)地址，再次等待AT24Cxx應(yīng)答，最后發(fā)出8 Bit數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)，待AT24Cxx應(yīng)答后，發(fā)出停止信號（Stop），完成一次單字節(jié)寫數(shù)據(jù)。
AT24C02容量為2K，因此數(shù)據(jù)地址范圍為0x00-0xFF，即0-255，每個數(shù)據(jù)地址每次寫1Byte，即8bit，也就剛好2568=2048Bit。對于1K容量的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)地址范圍為0x00-0x7F，最高位不會用到，因此圖中數(shù)據(jù)地址的最高位為*，意思是對于1K容量的產(chǎn)品，該位無需關(guān)心。
上圖為AT24Cxx的頁寫模式時序，與字節(jié)寫模式的差異在于，不是只發(fā)送1Byte數(shù)據(jù)，而是任意多個。需要注意，該模式不能跨頁寫，遇到跨頁時，需要重新發(fā)送完整的時序。
值得一提的是，AT24Cxx每次寫完之后，再到下次寫之前，需要間隔5ms時間，以確保上次寫操作在芯片內(nèi)部完成，如圖所示。
5、讀操作AT24Cxx支持當(dāng)前地址讀模式、隨機地址讀模式和順序讀模式。 當(dāng)前地址讀模式就是在上一次讀/寫操作之后的最后位置，繼續(xù)讀出數(shù)據(jù)，比如上次讀/寫在地址n，接下來可以直接從n+1處讀出數(shù)據(jù)；隨機地址讀模式是指定數(shù)據(jù)地址，然后讀出數(shù)據(jù)；順序讀模式是連續(xù)讀出多個數(shù)據(jù)。 在當(dāng)前地址讀模式下，無需發(fā)送數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)地址為上一次讀/寫操作之后的位置，時序如圖所示，注意在結(jié)尾，主機接收數(shù)據(jù)后，無需產(chǎn)生應(yīng)答信號。
在隨機地址讀模式下，需要先發(fā)送設(shè)備地址，待讀的數(shù)據(jù)地址，接著再重新發(fā)出開始信號，設(shè)備地址，讀出數(shù)據(jù)，時序如圖所示。
在順序讀模式下，需要先從當(dāng)前地址讀模式或隨機地址讀模式啟動，隨后便可連續(xù)讀多個數(shù)據(jù)，時序如圖所示。
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