I2C知识大全系列二 —— I2C硬件及时序
I2C硬件接口
I2C的数据（SDA）和时钟（SCL）信号都是双向的，通过电流源或上拉电阻接到电源，VDD大小取决于I2C设备接口的耐压能力。两根线都为高时，总线处于空闲状态（IDLE）。I2C接口的特殊构造以实现“线与”功能，即每个信号接口都分为输出的漏极开路（或集电极开路）和输入缓冲器部分。
I2C硬件连接示意图如下所示：
线与功能
漏极开路/集电极开路的特点是不能输出高电平，必须通过外接上拉输出高电平。如果总线上有任何一个设备接口输出低电平，则整个总线的状态表现为低电平，由此实现I2C总线信号的“线与”功能。
“线与”功能的好处在于可以实现总线的仲裁控制。总线的控制权会交给最后一个输出低电平的设备，其它设备（输出为高）通过检测总线上的电平状态（表现为低），对比与自己输出状态不一致，则自动退出对总线的控制请求。
漏极开路/集电极开路的缺点是对于一个距离长的数据线，信号传输速率得不到有效保证。更长的走线对于输出驱动器表现为更大的容性负载，等效容性负载C和信号线的上拉电阻R构成RC振荡器。RC越大，意味着反射和振荡越强，从而影响总线的信号完整性。这也是I2C规范对总线电容值约束在400pf以内的原因。高速模式（Hs）对信号完整性的要求更高，协议有定义相关SDA/SCL处理办法，以保证在数据线够长、速率够高时，信号完整性也可以得到满足。
主从与收发
主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。
（1）如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送。
（2）如果主机要接收从器件的数据，首先由主机寻址从器件。然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，主机负责产生定时时钟和终止数据传送。
数据有效性
每传输一比特数据SDA，对应产生一个时钟脉冲SCL。SCL为高时，SDA不允许变化；只有在SCL为低时，SDA才可以变化。如下图所示：
开始和结束条件
开始条件（S）：SCL为高时，SDA由高变低；
结束条件（P）：SCL为高时，SDA由低变高。
开始/结束条件总是由主机（Master）发起的。主机发出开始条件（START）后，总线处于忙状态；主机发出结束条件（STOP）后，总线处于空闲状态。
在操作中，如果主机发出重复开始条件（repeated START，Sr）而非结束条件（STOP），则总线仍处于忙的状态。也就是说，重复开始条件（Sr）和开始条件（S）在功能上是相同的。在本文（协议）中，除非特别说明，开始条件和重复开始条件统一表述为S。
I2C总线的数据传输
SDA上传输字节数据必须是8比特长度，每次传输不限定传输的字节数。每个字节（8位）数据传送完毕后紧接着应答信号（第9位，Acknowledge Bit）。数据传输过程中，先发送高位（MSB），再发送低位（LSB）。如果在数据传输过程中，从机如果没有准备好接收或发送下一个字节（比如内部中断需要处理等），它可以通过拉低SCL强制主机进入等待状态。直到从机释放SCL，主机才开始下一个字节的发送或接收。如下图所示：
应答与非应答
协议规定数据传输过程必须包含应答。接收器通过应答（1 bit）通知发送的字节已被成功接收，发送器可以进行下一个字节的传输。主机产生数据传输过程中的所有时钟，包括应答的第9个时钟。发送器在应答时钟周期内释放对SDA的控制，这样接收器可以通过将SDA拉低通知发送器数据已被成功接收。如下图所示：
应答
SCL为高的时候，SDA数据才是有效的，因此接收器发送ACK时，要保证SCL为高的同时，SDA为低电平；建立和保持时间也要满足规范要求。如果在第9个时钟周期，SDA为高，表明接收器无应答（NACK），主机可以据此发出结束条件（STOP）命令结束此次传输，或发起重传请求（repeated START）重新传输数据。
无应答
有5种情况可能导致无应答（NACK）：
- 总线上没有对应地址的接收器件
- 接收器件没有准备好与主机的通信
- 接收器件无法解析读取的数据
- 接收器件无法收取更多的数据
- 主机作为接收器（Master-Receiver）时，在读取从机（Slave-Transmitter）发出的最后一个字节数据后，发出NACK通知从发送器释放数据线SDA，以便主机发起结束（STOP）或重传（Sr）指令