从零开始的stm32旅途--I2C通信协议（1）

最近复习了I2C通信协议，撰写这篇博客，一是为复习巩固，二是分享自己的一些感悟，如果能够帮助一些朋友那就再好不过了

I2C的基本概念

在之前的学习当中，我们已了解到串口通信是一种点对点，一对一的通信方式，而这样导致的后果就是每多一台设备与单片机进行串口通信，就需要多占用一对引脚，多占用一个USART外设；例如：我们常用的stm32F10c8t6就只有3个USART外设，它最多同时与3台设备进行通信，如果想要更多的设备进行通信，就可以考虑使用I2C通信———I2C是嵌入式环境下，多设备通信中性价比之选。
I2C通信，意译过来就是芯片集成电路之间的通信。
注意：I2C通信时芯片之间的相互通信，通信双方按照各自的程序，基于I2C通信协议完成通信。不要把I2C通信理解为谁控制谁，双方都是芯片，都有烧录好的程序，双方都基于同样的通信协议，只要在双发约定好的时间，做约定好的事情，通信就完成了。对于我们而言，单片机由我们控制，单片机的I2C的通信程序也是由程序员完成的，而与单片机通信的设备，它有烧录好的I2C通信程序，我们不需要关系它的程序的具体实现，只要能完成通信即可。

I2C是一种总线式的通信方式，它的硬件电路设计是一种总线式的设计，而且I2C的总线设计很标准，是典型的总线式通信方式。

通信的总体式电路设计，使得通信中的设备，可以把自身引脚都挂在总线上，这种总线式设计，使得通信的电路设计更加简单，降低了走线复杂度。而且对单片机而言，即便与它进行通信的设备很多，也只需要占用少量的引脚即可，不需要像串口通信一样，每多一台设备，就要占两个引脚（当然引脚占用少了，外设也就占用的少了）在多设备的通信环境中，总线的设计使得接线变得更加简单，减少了引脚和外设的资源的占用，使得这种设计方式成为通信方式的主流
以下就是I2C通信的总线设计电路

I2C通信是单工，半双工还是全双工？

I2C通信和串口通信一样，都是串行通信，通信过程中，都是在数据线上一个BIT一个BIT的传输，发送端拉高数据线，就是发送1，发送端拉低数据线，就是发送0。串口通信有两条独立的数据线，所以它是全双工的，而I2C只有一条数据线，即SDA总线，在I2C通信当中，谁控制了SDA总线，谁就有能力发送数据，所以I2C不是单工，而是双工，但是由于只有一条SDA总线，所以它是半双工的。
SDA总线：serial data，串行数据线，谁来控制这条总线就意味着谁发数据，I2C通信只有这一条数据线。
SCL总线：serial clock,串行时钟线，I2C通信的整个流程都由时钟信号来控制，总线上的设备都共享同一个时钟信号。

I2C通信是一种“主从模式”设计的通信协议。

实际上多设备通信中，大多都是主从模式，在通信协议中，始终掌握着整个通信的流程的，及控制SCL线的称为主机，所以在学习中我们都已单片机作为主机，其他设备作为从机，理论来说，I2C总线上的设备都可以作为主机，但使用I2C通信，大概率不会使用切换这种语法，过于复杂，多数情况下我们都不切换主机进行使用。主机可以主动发送数据给从机，从机接受数据，这称之为“I2C的写”，从机在主机的要求下发送数据给主机，这称之为“I2C的读”，从机不能主动发送数据给主机。即在I2C通信中，任何通信操作都能必须由主机发起。

I2C通信是多设备通信方式，我们如何在多设备找到我们需求的哪一个设备，从而进行通信？

I2C总线上的从机，都有着唯一标识，称之为“从机地址。slave address”，任何I2C通信，都是由主机发起的，主机发起一次I2C通信，总是从发送寻址地址开始，主机通过SDA总线发送寻址字节，寻找目标地址，这个总是I2C通信中首个发送发送的字节，SDA总线的控制器，在通信一开始，是在主机中，由主机发起寻址，主机发送数据。
寻址地址（8位）：7位从机地址+1位读写标志位。
7位从机地址，是由生产厂商在生产设备时一次性烧录设置的。某台从机设备，它的从机地址总是固定的（或者或是大多数位，少数位可选）
从机地址有7位，理论上来说，有2^7=128种可能性，即最大支持的设备为128个设备，但是I2C通信在实际使用中，往往会预保留一些从机地址，实现一些特殊用途。最典型的一个例子，就是0这个从机地址，它是I2C通信的广播地址，用于主机一次性发送数据给总线上的所有设备，所以排除掉一些用作特殊用途的从机地址，I2C通信最多可支持100+的设备，在同一总线上进行通信。
1位的读写标志位：
一次I2C通信，我们不仅要找到从机地址，还需要告诉从机设备，我们这一次通信需要读还是写，所以这1位读写标志位就和从机地址组合在一起，构成寻址地址，通过SDA总线发送。
读标志位：1
写标志位：0
比如0.96存OLED显示屏，支持I2C通信，它从机地址是：0111 100，如果单片机要与它通信，并且要求OLED发送数据给主机（读),那么寻址地址就是：0111 1000，转换成16进制就是0X78。一定要记住通信的第一个字节就是寻址地址！SDA总线一开始都是被主机所控制。

I2C通信的总线设计，为什么这么设计？

依旧是这张图片，我们前面提到了总线控制权，SDA总线谁控制就是谁发送数据，SCL时钟线始终被主机所控制，那么到底什么是控制权，控制权又是如何切换的？
在解决这些问题之前，我们先谈一谈一个重要的约定：在I2C通信中，输出模式都是开漏模式，只能输出高阻态或者是低电平。为什么会这样，我们先按下布表。
逻辑线与（重点！），它是I2C通信总线设计的核心概念，I2C总线之所以这么设计，目的是为了实现逻辑线与。
与是逻辑运输符，参与&运算的变量，必须全部都是1，结果才是1，只要任意变量是0，结果就是0.

逻辑线与：

指的是两条总线（SDA和SCL),总线的最终电平状态，靠所有接入总线的引脚电平来决定：
1.只要接入总线的所有引脚，都设置为1（高组态),然后依靠上拉电阻的上拉作用，总线表现为高电平，这个过程就是1（高阻态）&1&1&1...&1 = 1（高电平，上拉电阻得到）
2.只要任意的总线的任意引脚，设置为0（低电平),总线就会表现为低电平，这个过程就是1（高阻态）&1&1&0...&1 = 0（低电平）
I2C总线的电平状态表现，和逻辑运算符与计算结果是一样的，所以称这种总线设计为逻辑线与。

I2C总线控制权，到底什么是控制权？

控制权就是可以随时拉高或者是拉低这条总线，没有控制权的设备，必须把自身对应引脚设置为1（高阻态），有总线控制权的设备，就可以将自身对应的引脚设置1，即拉高总线，拉低亦是如此。
所以，有没有控制权，核心在于，这台设备能不能把自身对应引脚设置为0，可以设置为0，就说明这台设备有控制权。
当然，主机完全控制SCL总线，从机的所有SCL引脚必须全部设置为1，且不能切换，而SDA总线的控制权既可以切换控制权，但是在I2C通信的一开始，SDA总线先由主机控制。

I2C通信流程

即学习I2C通信的时序结构，时序过程，时序图

I2C通信规定：SCL和SDA总线，两条总线都是高电平，才表示通信的空闲状态，任意总线的拉低，都不属于空闲状态。
推论：一开始通信肯定都处于空闲状态，这就意味着接入总线的设备，在一开始的初始状态都是高阻态，所有在软I2C模拟时候，务必初始化引脚时候设置为高阻态。

I2C通信时同步通信，是受时钟信号控制，那么时钟信号是如何控制I2C通信流程呢？

这个就是时钟信号，周期性变化的方波，一个时钟周期，是由一个低电平和一个高电平组成的。I2C通信规定：一个时钟周期的高电平时间内属于工作时间，一个时钟周期的低电平时间内属于休息时间/准备时间。
注意：在通信过程中，所有的重要的通信结点都是发生在工作时间，也就是高电平时期。
举一个简单的例子，下图是简化部分的时序图，描述的是，I2C发送数据过程中两条总线的电平状态，该时序图仅考虑数据的发送，其他因素都不开率：

这张时序图，就简单描述了通过SDA中的两个Bit，很显然，发送的数据是1，0。

I2C通信过程中的数据发送与接收

发送端，在低电平的休息时间内，也叫准备时间，由数据端准备要发送的数据，所以由电平变化的情况，如果数据端要发送1，就要拉高SDA总线。要发送0，就要拉低SDA总线，所以休息时间，对于数据的发送端而言，其实是准备时间，用于准备下一个高电平工作时间内需要发送的数据。接收端在休息时间内，是真正意义上的休息，什么都不用做。I2C通信，1个时钟周期发送1个bit的数据，所以I2C通信，影响它通信速率的最主要因素就是时钟信号的频率时钟频率越高，I2C通信越快，否则通信速率越慢。

I2C通信是多设备总线式同步串行通信当中，典型的低速通信协议。

为什么呢？因为I2C总线依靠上拉电阻拉高电平，但这个过程很缓慢，需要一个固定的不短的时间如果I2C通信过快，使得上拉电阻来不及拉高总线电平，就会导致通信失败，所以I2C通信，它的速度基本上串口通信半斤八两，都是典型的低速通信协议。当然，上面讲的是I2C比较慢的核心因素，当然还有一些其它的影响因素，后面再讲。

总结：

I2C总线由SDA（数据线）与SCL（时钟线）组成，所有主从设备共享这两条线，形成“多设备挂载"的总线结构。
通信中所有设备的SDA和SCL引脚，都需要设置为开漏输出模式。
两条总线的电平状态，受所有设备引脚“逻辑线与”的共同决定一一任一拉低（0）即为低电平，全部释放（1）才为高电平。
SCL总线由主机（单片机）独占控制，用于产生时钟信号，严格控制通信时序。
SDA总线控制权，在通信时根据发送端角色动态切换，主机写（主机发送）时主机控制SDA总线，主机读（从机发送）时从机控制SDA总线。
所谓总线控制权，指的是某一设备具有对总线电平的主动控制能力，即其对应引脚可以在0和1（低电平与高阻态）之间切换，而其他设备必须将对应引脚置为高阻态（输出1），以释放总线控制权。
I2C通信把两条总线都为高电平状态，设置为通信的空闲状态。任一总线被拉低，表示通信已开始，或通信正在进行中。
I2C 是同步通信协议，所有设备共享主机生成的时钟信号。9每个时钟周期（高电平+低电平）被划分为：
a.休息时间（SCL 低电平）：为工作时间做准备，发送端控制拉高SDA总线（准备发1)，也可以控制拉低SDA总线（准备发0）
b.工作时间（SCL 高电平）：控制通信的关键节点。比如通信的开始与结束，数据发送与接收采集等重要节点，都必须在工作时间内发生。
如果是发送接收数据，SDA总线必须在整个工作时间内，保持电平状态不变。