I2C protocol 原理及應用

I²C (Inter-Integrated Circuit) 是內部整合電路的稱呼，是一種串列通訊匯流排，使用多主從架構，由飛利浦公司在 1980 年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速週邊裝置而發展。I²C 的正確讀法為 "I-squared-C" ，而 "I-two-C" 則是另一種錯誤但被廣泛使用的讀法，在大陸地區則多以 "I方C" 稱之。截至 2006 年 11 月 1 日為止，使用 I²C 協定不需要為其專利付費，但製造商仍然需要付費以獲得 I²C Slave (從屬裝置位址)。

I²C的參考設計使用一個7位元長度的位址空間但保留了16個位址，所以在一組匯流排最多可和112個節點通訊。常見的I²C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式（100 Kbit/s）、低速模式（10 Kbit/s），但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I²C匯流排可以和更多的節點（支援10位元長度的位址空間）以更快的速率通訊：快速模式（400 Kbit/s）、高速模式（3.4 Mbit/s）。

###I2C 的啟動條件及停止條件

I2C start condition 有二種情況，如上圖所示，虛線表示 read 動作時的第二次 start condition，實線表示 r/w 時的第一次 start condition。
I2C stop condition 只有一種情況，如上圖所示。

void i2c_start(void)
{
    // for second start signal on i2c_read
    I2C_SDA = HIGH;
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait();

    // send start signal
    I2C_SDA = LOW;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = LOW;
}

void i2c_stop(void)
{
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = LOW;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = HIGH;
}

###I2C 的讀寫動作

當 SCL=HIGH 時，表示 SDA 穩定，可以做讀取動作。
當 SCL=LOW 時，表示 SDA 混亂，不可以讀取；因為此時可以設定 SDA 的值，也就是做寫入動作。
master 每一次傳送八個 bit，最後 slave 會回傳一個 ack bit，表示接受是否完成。
master 每一次接受八個 bit，最後 master 要傳送一個 ack bit，表示接受已經完成。
在傳送完第八個 bit 之後，再等待 slave 接受完成後，需將 SDA 設成 HIGH，此時 slave 會將 SDA 拉回 LOW，表示接受動作完成。如果 acknowledge=HIGH，也就是 slave 沒有拉成 LOW 則表示傳送失敗。

bit i2c_write(unsigned char value)
{
    char i=9;
    bit  ack;
    // upload data
    while(--i)
    {
        i2c_wait2();
        I2C_SDA = (value & 0x80) ? HIGH : LOW;
        i2c_wait2();
        // send data
        I2C_SCL = HIGH;
        i2c_wait();
        value <<= 1;
        I2C_SCL = LOW;
    }
    // get acknowledgement
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = HIGH;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait2();
    ack = I2C_SDA;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = LOW;
    // return acknowledge
    return ack;
}
unsigned char i2c_read(bit acknowledge)
{
    char i=9;
    unsigned char value=0;
    // read data
    while(--i)
    {
        value <<= 1;
        i2c_wait();
        I2C_SCL = HIGH;
        i2c_wait2();
        value |= I2C_SDA;
        i2c_wait2();
        I2C_SCL = LOW;
    }
    // send acknowledge
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = acknowledge;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait();
    I2C_SCL = LOW;
    // return data
    return value;
}

完整寫入流程

標準 I2C 讀寫流程 by Philips

讀取完最後一個 byte 時，記得要回傳 no acknowledge(SDA=HIGH)，表示已經沒有要繼續讀取資料。
讀取完最後一個 byte 時，回傳 acknowledge(SDA=LOW)，再傳送 stop signal，則會造成後續的讀寫動作失敗。(這是在讀取 PCF8593 的經驗)

完整讀取流程

複合式讀寫流程

###常用 I2C NVRAM 讀寫流程 by Philips PCF8953

一般 RTC 都有帶一些 NVRAM 或是讀寫 EEPROM，需要先指定讀寫的 register address 才可以。所以在寫時，先寫入 slave address 後，需再寫入 register address，讓 chip 知道你要寫入的起始位址，接下來才能寫入 data。
由於讀取前也要先寫入 register address，所以一般 NVRAM 讀取動作都是使用標準複合式流程，也就是先寫入 register address，再下一次 start conditon，再做讀取動作。

void i2c_write_byte(unsigned char slave_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char value)
{
    char i=10;

    EA = 0;
    while (--i)
    {
        i2c_start();
        if(i2c_write(slave_addr)) continue;
        if(i2c_write(reg_addr)) continue;
        if(i2c_write(value)) continue;
        i2c_stop();
        break;
    }
    EA = 1;
}

unsigned char i2c_read_byte(unsigned char slave_addr, unsigned char reg_addr)
{
    char i=10;
    unsigned char value=0;

    EA = 0;
    while (--i)
    {
        // send register address
        i2c_start();
        if(i2c_write(slave_addr&0xfe)) continue;
        if(i2c_write(reg_addr)) continue;
        // read data
        i2c_start();
        if(i2c_write(slave_addr | 1)) continue;
        value = i2c_read(1);
        i2c_stop();
        break;
    }
    EA = 1;
    return value;
}

完整程式碼

//=============================================================================
// Project:
// Module:      i2c.c
// Copyright:   Chilin Co. 2008
// Author:      enos
// Date:        Sep. 24, 2008
//=============================================================================
// Description: IIC driver
//
//=============================================================================
#include <8051.h>
#include <stdio.h>

/*****************************************************************************
 * local definition
 *****************************************************************************/
#define    HIGH        1
#define    LOW         0
#define    I2C_SCL     P1_6
#define    I2C_SDA     P1_7

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_wait
 * Description: wait for some time to get proper I2c timing
 *****************************************************************************/
void i2c_wait(void)
{
    _asm
    nop nop nop nop nop
    nop nop nop nop nop
    _endasm;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_wait2
 * Description: wait for some time to get proper I2c timing
 *****************************************************************************/
void i2c_wait2(void)
{
    _asm
    nop nop nop nop nop
    _endasm;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_start
 * Description: I2C start signal.
 * <comment>
 *  SCL ________
 *              \_________
 *  SDA _____
 *           \____________
 *
 * Return value: None
 *****************************************************************************/
void i2c_start(void)
{
    // for second start signal on i2c_read
    I2C_SDA = HIGH;
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait();

    // send start signal
    I2C_SDA = LOW;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = LOW;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_stop
 * Description: I2C stop signal.
 * <comment>
 *              ____________
 *  SCL _______/
 *                 _________
 *  SDA __________/
 *
 * assume I2C_SCL = LOW, I2C_SDA = LOW
 *****************************************************************************/
void i2c_stop(void)
{
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = LOW;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = HIGH;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_write
 * Description: I2C write command
 * I2C_SCL = LOW    data change
 * I2C_SCL = HIGH   data stable
 *****************************************************************************/
bit i2c_write(unsigned char value)
{
    char i=9;
    bit  ack;

    while(--i)
    {
        // upload data
        i2c_wait2();
        I2C_SDA = (value & 0x80) ? HIGH : LOW;
        i2c_wait2();
        // send data
        I2C_SCL = HIGH;
        i2c_wait();
        value <<= 1;
        I2C_SCL = LOW;
    }

    // get acknowledgement
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = HIGH;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait2();
    ack = I2C_SDA;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = LOW;

    return ack;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_read
 * Description: I2C read command
 * I2C_SCL = LOW    data change
 * I2C_SCL = HIGH   data stable
 *****************************************************************************/
unsigned char i2c_read(bit acknowledge)
{
    unsigned char value=0;
    char i=9;

    // read data
     while(--i)
    {
        // download data
        value <<= 1;
        i2c_wait();
        // get data
        I2C_SCL = HIGH;
        i2c_wait2();
        value |= I2C_SDA;
        i2c_wait2();
        I2C_SCL = LOW;
    }

    // send acknowledge
    i2c_wait2();
    I2C_SDA = acknowledge;
    i2c_wait2();
    I2C_SCL = HIGH;
    i2c_wait();
    I2C_SCL = LOW;

    // return data
    return value;
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_write_byte
 * Description: write one byte
 *****************************************************************************/
void i2c_write_byte(unsigned char slave_addr, unsigned char reg_addr, unsigned char value)
{
    char i=10;

    EA = 0;               // Disable All Interrupt
    while (--i)
    {
        i2c_start();                        // start I2C
        if(i2c_write(slave_addr)) continue; // slave address
        if(i2c_write(reg_addr))  continue;  // register address
        if(i2c_write(value))     continue;  // send data
        i2c_stop();                         // stop I2C
        break;
    }
    EA = 1;                // Enable All Interrupt
}

/*****************************************************************************
 * Author:      enos
 * Function:    i2c_read_byte
 * Description: read one byte
 *****************************************************************************/
unsigned char i2c_read_byte(unsigned char slave_addr, unsigned char reg_addr)
{
    char i=10;
    unsigned char value=0;

    EA = 0;               // Disable All Interrupt
    while (--i)
    {
        // send register address
        i2c_start();                                // start I2C
        if(i2c_write(slave_addr&0xfe)) continue;    // slave address
        if(i2c_write(reg_addr)) continue;           // register address
        // read data
        i2c_start();                                // restart I2C
        if(i2c_write(slave_addr | 1)) continue;     // slave address
        value = i2c_read(1);                        // read data
        i2c_stop();                                 // stop I2C
        break;
    }
    EA = 1;                // Enable All Interrupt

    return value;
}

软件开发平台及语言笔记大全(超详细)

I2C protocol 原理及應用

標準 I2C 讀寫流程 by Philips

嵌入式 Linux 知识库

操作系统思考

Linux 内核揭密

gulp 入门指南

全栈开发指南2021

Elasticsearch权威指南