11.6.2. 功能描述

11.6.2.1. 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），0表示读，1表示写；

空闲检测

Master设备检测到 SDA、 SCL 均为高电平。

11.6.2.2. Master & Slave模式

../../../_images/i2c.png — 图 11.23 I2C协议

../../../_images/i2c_conn.png — 图 11.24 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。

11.6.2.3. 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]。

../../../_images/i2c_7bit_addr.png — 图 11.25 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]。

../../../_images/i2c_10bit_addr.png — 图 11.26 10bit寻址格式

11.6.2.4. 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。

../../../_images/restart.png — 图 11.27 Restart时序

传输时序示例如下：

../../../_images/read_read.png — 图 11.28 多次读数据

../../../_images/write_write.png — 图 11.29 多次写数据

../../../_images/read_write.png — 图 11.30 读数据转写数据

../../../_images/write_read.png — 图 11.31 写数据转读数据

11.6.2.5. 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。

../../../_images/sdatime.png — 图 11.32 SETUP和HOLD说明

11.6.2.6. 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。

../../../_images/start_byte.png — 图 11.33 START BYTE时序

11.6.2.7. 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

../../../_images/gencall.png — 图 11.34 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。