1 I2C简介
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种由飞利浦半导体（现为恩智浦半导体）在1980年代初开发的同步、串行、半双工的总线型通信协议。主要用于近距离（同一块印刷电路板（PCB）上的集成电路（IC）之间）、低速（注：标准模式100K，快速模式400K，高速模式3.4M）的芯片之间的通信。
I2C总线有两根信号线，一根数据线SDA用于收发数据，一根时钟线SCL用于通信双方时钟的同步。I2C总线是一种多主机总线，连接在I2C总线上的器件分为主机和从机，主机有权发起和结束一次通信，而从机只能被主机呼叫。每个连接到I2C总线上的器件都有一个唯一的地址（7-bit）。主机通过I2C设备的地址来选择从机。
备注：关于完整I2C规范参见NXP官方文档UM10204（I2C_bus specification and user manual，下载地址：https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf）。
2 I2C的三态门电路
在I2C通信中，一条SDA线既是输出也是输入。信息双向传输（方向为inout）的时候需要使用三态门电路来控制。FPGA内部三态门结构：
设置sda_out=1，三态门输出高阻(即释放总线，此时sda由外部设备或上拉电阻控制)，当主机需要输出1时，总线由上拉电阻拉高，电平为1。当主机需要读取输入时，此时如果从机拉低，sda_in=0；如果从机不拉低，sda_in=1。
设置sda_out=0，sda输出0，主机输出0。
这种设计符合I2C协议的开漏输出特性：I2C设备只能将数据线拉低（输出0）或释放（输出高阻，由上拉电阻拉高）。因此，这个三态设置实现了I2C数据线的双向通信：既可以输出数据（拉低），也可以输入数据（释放总线并读取）。具体的Verilog实现如下：
// 三态赋值
assign sda = sda_out?1'bz :0;
assign sda_in = sda;
所以FPGA和外设之间要有个上拉电阻，如下是DE10-Nano的相关电路图：
3 I2C协议的开始与结束信号
开始条件为当 SCLK（时钟脚）保持在高电平时， SDIN（数据脚）从高到低，接着会开始进行地址与数据传输；停止的条件是被定义成在 SCLK 在高电平时， SDIN 有一个低到高转换：
4 I2C协议的字节传送与应答
I2C总线通信时每个字节为8位长度，数据传送时，先传送最高位，后传送低位，发送器发送完一个字节数据后，接收器必须发送1位应答位（应答：低电平"0"；非应答：没接收到数据或者接收器不想应答，就保持高电平"1"）来回应发送器，即一帧共有9位。
5 I2C协议的同步信号
I2C总线在进行数据传送时：
时钟线SCL为低电平时，发送器向数据线上发送1-bit数据，在此期间数据线上的信号允许变化；
时钟线SCL为高电平时，接收器从数据线上读取1-bit数据，在此期间数据线上的信号不允许发生变化，必须保持稳定。
4.6 I2C协议的写操作
主机先产生一个起始信号ST，再由主机发送出欲控制的器件地址 Device Address[6:0]，再加上 1 位的 W/R 读写位（设定为 0）。从机收到主机发送出 8 位信号后，会回应一个 ACK 信号；接着送出寄存器地址Register Address[7:0]（有的寄存器地址是16位，则可分两次发送）， 从机收到主机发送出 8 位信号后，会回应一个 ACK 信号；接着送出 8 位数据 Data[7:0]，从机收到主机发送 出 8 位信号后，会回应一个ACK 信号。传输完成后，会从主机送出停止信号 SP。则完成了将数据 Data[7:0] 写入 Device Address[6:0] 设备中的 Register Address[7:0] 寄存器中：
4.7 I2C协议的读操作
主机先产生一个起始信号 ST，再由主机发送出欲控制的器件地址 Device Address[6:0]，再加上 1 位的 W/R 读写位（设定为 0）。从机收到主机发送出 8 位信号后，会回应一个 ACK 信号；接着送出寄存器地址Register Address[7:0]，从机收到主机发送出 8 位信号后，会回应一个 ACK 信号；接着主机重新送出开始信号 SR（restart），再由主机发送出欲控制的器件 地址 DeviceAddress[6:0]，再加上 1 位的 W/R 读写位（设定为 1）。从机收到主机发送出8 位信号后，会回应 一个 ACK 信号。接着读取 8 位数据 Data[7:0]，主机收到8 位信号后发送一个NACK给从机，通知从机主机
不再需要更多的数据，最后从主机送出停止信号SP：
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