11.3.2. 功能描述
11.3.2.1. 协议约定
- 数据帧
大小固定为8bit（一字节）
- 传输方向
高位先发
- 总线释放状态
SCL 和 SDA 均为高电平，其中 SCL 一直由Master设备控制；
- 启动信号（START）
SCL高，SDA由高转低；
- 停止信号（STOP）
SCL高，SDA由低转高；
- 应答信号
ACK：Master设备控制 SCL，发送完8bit后释放 SDA，在第九个 SCL 波形时，Slave设备拉低 SDA；
NACK：Master设备控制 SCL，发送完8bit后释放 SDA，在第九个 SCL 波形时，Slave设备拉高 SDA；
- Slave设备地址
含CPU的智能器件，地址由软件初始化时定义，但不能与其它的器件有冲突；
不含CPU的非智能器件，高4bit由厂家在器件内部固化，不可改变；低3bit由引脚连接电平决定（例如eeprom，三个引脚常用名字A1、A2、A3）；
- 读写位
1bit，与Slave设备地址的7bit，组成读写数据帧的数据内容（Slave设备7bit + 1bit），1表示读，0表示写；
- 空闲检测
Master设备检测到 SDA、 SCL 均为高电平。
11.3.2.2. Master & Slave模式
图 11.15 I2C协议
图 11.16 master & slave关系图
Master发送操作：master设备通过I2C_DATA_CMD[8]写0进行发送请求，将数据写进I2C_DATA_CMD[7:0]，然后发送到I2C总线，由响应的slave设备从总线接收数据。
Master接收操作：master设备通过I2C_DATA_CMD[8]写1进行接收请求，由响应的slave设备将数据发送到I2C总线，然后master从I2C_DATA_CMD[7:0]获取数据。
Slave发送操作：接收到master的接收请求，将数据写进I2C_DATA_CMD[7:0]，然后发送到I2C总线。
Slave接收操作：接收到master的发送请求，从I2C_DATA_CMD[7:0]获取数据
Mater发起寻址，发起START信号，生成SCL，生成STOP信号，可发送和接收；Slave作为被寻址的一方，发起ACK或Not ACK信号，可发送和接收。注意I2C_DATA_CMD[8]只能在master模式下配置，I2C任何的通信行为都由master主动发起。
11.3.2.3. 7bit & 10bit寻址
7bit寻址格式
I2C_TAR[6:0]对应此7位地址，R/W为I2C_DATA_CMD[8]。
图 11.17 7bit寻址格式
备注
其中寻址模式存在一些slave设备支持start字节，即master先发起‘0000 0001’字节（不需要slave ACK），再发起START信号进行寻址。
10bit寻址格式
10bit寻址分为两个字节发送，第一个字节的bit[7:3]向slave指示这是一个10bit的地址。紧接者的bit[2:1]为I2C_TAR[9:8]，R/W为I2C_DATA_CMD[8]；第二个字节为I2C_TAR[7:0]。
图 11.18 10bit寻址格式
11.3.2.4. Restart说明
重复起始条件和起始条件类似，重复起始条件发生在停止条件之前。master想继续给slave发送消息时，在一个字节传输完成后可以发送重复起始条件来启动下一次传输，而不是产生停止条件。
Restart也是在SCL高电平的时候产生一个SDA的下降沿。因此需要先令SDA和SCL都处于高电平状态，再令SDA拉低，本质操作和起始条件是一样的。
图 11.19 Restart时序
传输时序示例如下：
图 11.20 多次读数据
图 11.21 多次写数据
图 11.22 读数据转写数据
图 11.23 写数据转读数据
11.3.2.5. SDA_SETUP_TIME和SDA_HOLD_TIME说明
SDA_SETUP_TIME为SCL延迟时间，表示SCL上升沿相对SDA的延迟量，只有当I2C作为slave发送数据时使用。
SDA_HOLD_TIME为SDA保持时间，表示SCL拉低之后SDA保持的时间。
图 11.24 SETUP和HOLD说明
11.3.2.6. START BYTE机制
START BYTE机制服务于当片上系统没有专用的I2C模块的情况。START BYTE会将开始条件的过程延长，在生成START条件后，继续发送1个Byte信号（0000_0001），master持续的将SDA线拉低7个周期
当I2C被设为slave时，无需使用START BYTE机制；当I2C被设为master，启用START BYTE可以让轮询总线的处理器以较低的频率采样SDA线。当采样到起始字节中任意一个0时，切换到更快的频率，找到0000_0001后产生restart，然后开始传输。
- START BYTE的过程：
master先产生一个START条件
master发送start byte（0000_0001），并发送ACK信号
在此过程中，不能有任何slave相应ACK
master生成restart信号。
图 11.25 START BYTE时序
11.3.2.7. 通用广播地址（General call address）
通用广播地址是为了寻址总线上所有设备。如果一个设备不需要使用广播功能,可以不响应广播。如果设备需要使用广播功能，则它在检测到广播地址后发送响应，并作为slave接收读取总线上发送的数据。
master不知道总线上有多少slave发送响应，总线上所有可以响应广播的slave读取广播地址后的第二个以及后面的字节。而不能处理这些广播数据的slave通过不发送响应的方式忽略它。同样的，master也检测不到没有响应的slave。
广播信息的含义在第二个字节决定
图 11.26 GEN_CALL格式
有两种情况：
- 第二个Byte最低位B为0：
0000_0110(06h)：复位并通过硬件写数据到slave的可编程部分。所有可以响应此类广播的slave，收到此两个字节后，进行复位并进入它们地址的可编程部分。
0000_0100(04h)：通过硬件写内容到slave的可编程部分，作用类似(06h),但设备不会复位。
0000_0000(00h)：这种不允许作为第二个字节使用。
第二个Byte最低位B为1：
该两字节广播定义为“硬件广播”，由一个硬件master器件发送例如，键盘扫描器。它们不能编程来发送一个期望的slave地址，由于硬件master预先不知道报文要传输给哪个器件，它只能产生这个硬件广播呼叫和它自己的地址让系统识别它。
第二个字节中前7位是硬件master的地址，这个地址被一个连接到总线的智能器件识别 （例如 微控制器）并指引硬件master的信息。如果硬件master也可以作为slave，它的slave地址和master地址一样。
图 11.27 硬件广播格式
11.3.2.8. 总线挂死恢复机制
SDA挂死恢复
I2C某些通信异常会造成总线挂死情况，例如slave设备应答ACK拉低SDA时出现异常，此时slave无法释放总线，造成master无法继续掌握总线进行通信。
因此检测到SDA挂死条件，则触发恢复机制。原理如下：
Master尝试在SDA发送逻辑1并且检查SDA是否恢复，最多连续发送9个时钟周期
如果SDA在9个时钟周期内恢复，master则发送一个STOP信号释放总线
如果SDA在9个时钟周期内未恢复，则系统需要硬件复位
图 11.28 第9个时钟恢复
图 11.29 第7个时钟恢复
SCL挂死恢复 通常只有在电路电气发生故障才存在SCL一直处于低电平，除了硬件复位系统外，没有有效的方法来解决此问题，若使能SCL挂死中断，可查看I2C_INTR_STAT[14]检查SCL状态。
11.3.3. 编程指南
11.3.3.1. MASTER初始化流程
图 11.30 master初始化流程
11.3.3.2. SLAVE初始化流程
图 11.31 slave初始化流程