通讯协议

I2C 协议

I2C 是一种双线半双工的通信协议，只能用于短距离通信。实现I2C需要两根信号线完成信息交换，SCL时钟信号线，SDA数据输入/输出线。
它属于同步通信，由于输入输出数据均使用一根线，因此通信方向为半双工。

I2C 采用单总线通信，即所有设备都连接到同一个总线上，并且同一时间只能有一个设备在总线上进行通信。

通讯方式

数据通信中，传输方式可以分为单工通信和半双工通信、全双工通信三种。I2C 采用半双工通信。

单工通信： 是指消息只能单方向传输的工作方式。
半双工： 是指数据可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，因此又被称为双向交替通信。
全双工： 是指在通信的任意时刻，线路上可以同时存在A到B和B到A的双向信号传输。

工作原理

以下是I2C消息数据，被分解为数据帧 。每条消息都有一个地址帧，其中包含从设备的二进制地址，以及一个或多个包含正在传输的数据的数据帧。该消息还包括每个数据帧之间的开始和停止条件、读/写位和 ACK/NACK 位：

起始条件：在 SCL 线 从高电平变为低电平 之前， SDA 线从高电平变为低电平。
停止条件： SCL 线 由低电平 变为高电平后， SDA 线 也由低电平变为高电平。
地址帧： 每个从机独有的 7 位或 10 位序列，当主机想要与从机通信时，用于识别从机。
读/写位： 单个位指定主机是否正在向从机发送数据（低电压电平）或向从机请求数据（高电压电平）。
ACK/NACK 位： 消息中的每个帧后面都有一个确认/不确认位。如果成功接收地址帧或数据帧，则接收设备会向发送方返回一个 ACK​​ 位。

数据传输

I2c数据在传输过程时，有约定的条件，了解这些条件后，就能看懂时序图了。

1、位传输规定
SCL为高电平时，SDA线必须保持稳定，SDA上传输1个bit数据；数据改变：SCL为低电平时，SDA线才可以改变电平。

2、起始和结束信号

起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。起始信号由主控制器产生。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。结束信号也只能由主控制器产生。

3、应答信号
SDA主线上每个字节均由8位组成，主机每发送完8bit数据后等待从机ACK。即在第9个clock，若从机发回ACK，SDA会被拉低。若没有ACK，SDA会被置高，主控则需要重新发送或者停止。在时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，这个值则为发送数据的值。

简单理解，正确发送一个数据，SCL需要经过9个时钟信号，这些时钟信号都是规律的类似正弦波形。在SCL高电平时，SDA稳定时的值就是数据。在SCL低电平时，SDA可以改变值，直到稳定，等待SCL也处于高电平。

4、仲裁机制
这个是I2C协议中的重要机制，当多个设备同时请求I2C总线时，谁先拿到总线谁就先发送数据，这个主要是通过SDA的电平状态来判断。SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的。当出现高低两种电平，则处于低电平端主机优先级更高，此时则会断开发送高电平的主机。

从图中可以看到DATA1主机发送的“101…”，DATA2主机发送的“1001”，在传输第3位时，DATA2因为是低电平，则优先拿到主线，DATA1因为是高电平，与主线电平冲突，则会主动放弃连接。每个主机在发送1位数据后，会确认总线数据是否和自己发送数据一致，是则继续发送，否则退出竞争。

注意

不管是从机还是主机，每次在收到数据后，需要向对方发送一个ACK应答信号，否则主机会一直等待，直到超时退出。