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I2C總線在物理連接上非常簡(jiǎn)單，分別由SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）及上拉電阻組成。通信原理是通過(guò)對(duì)SCL和SDA線高低電平時(shí)序的控制，來(lái)產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時(shí)，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平。
一、 技術(shù)性能：
工作速率有100K和400K兩種；
支持多機(jī)通訊；
支持多主控模塊，但同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主控；
由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線；
每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址；
每個(gè)器件可以使用獨(dú)立電源
二、 基本工作原理：
以啟動(dòng)信號(hào)START來(lái)掌管總線，以停止信號(hào)STOP來(lái)釋放總線；
每次通訊以START開始，以STOP結(jié)束；
啟動(dòng)信號(hào)START后緊接著發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)，其中7位為被控器件的地址碼，一位為讀/寫控制位R/W，R. /W位為0表示由主控向被控器件寫數(shù)據(jù)，R/W為1表示由主控向被控器件讀數(shù)據(jù)；
當(dāng)被控器件檢測(cè)到收到的地址與自己的地址相同時(shí)，在第9個(gè)時(shí)鐘期間反饋應(yīng)答信號(hào)；
每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)在傳送時(shí)都是高位（MSB）在前；
寫通訊過(guò)程：
1. 主控在檢測(cè)到總線空閑的狀況下，首先發(fā)送一個(gè)START信號(hào)掌管總線；
2. 發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（包括7位地址碼和一位R/W）；
3. 當(dāng)被控器件檢測(cè)到主控發(fā)送的地址與自己的地址相同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）；
4. 主控收到ACK后開始發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)；
5. 被控器收到數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送一個(gè)ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示傳送數(shù)據(jù)結(jié)束；
6. 主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個(gè)停止位STOP，結(jié)束整個(gè)通訊并且釋放總線；
讀通訊過(guò)程：
1. 主控在檢測(cè)到總線空閑的狀況下，首先發(fā)送一個(gè)START信號(hào)掌管總線；
2. 發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（包括7位地址碼和一位R/W）；
3. 當(dāng)被控器件檢測(cè)到主控發(fā)送的地址與自己的地址相同時(shí)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）；
4. 主控收到ACK后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)；
5. 主控收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示傳送數(shù)據(jù)結(jié)束；
6. 主控發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個(gè)停止位STOP，結(jié)束整個(gè)通訊并且釋放總線；
? ?I2C總線特征
I2C總線上的每一個(gè)設(shè)備都可以作為主設(shè)備或者從設(shè)備，而且每一個(gè)設(shè)備都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址（可以從I2C器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)得知），主從設(shè)備之間就通過(guò)這個(gè)地址來(lái)確定與哪個(gè)器件進(jìn)行通信，在通常的應(yīng)用中，我們把CPU帶I2C總線接口的模塊作為主設(shè)備，把掛接在總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備。
I2C總線上可掛接的設(shè)備數(shù)量受總線的最大電容400pF 限制，如果所掛接的是相同型號(hào)的器件，則還受器件地址位的限制。
I2C總線數(shù)據(jù)傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。一般通過(guò)I2C總線接口可編程時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸速率的調(diào)整，同時(shí)也跟所接的上拉電阻的阻值有關(guān)。
I2C總線上的主設(shè)備與從設(shè)備之間以字節(jié)（8位）為單位進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。
I2C總線協(xié)議
I2C協(xié)議規(guī)定，總線上數(shù)據(jù)的傳輸必須以一個(gè)起始信號(hào)作為開始條件，以一個(gè)結(jié)束信號(hào)作為傳輸?shù)耐Ｖ箺l件。起始和結(jié)束信號(hào)總是由主設(shè)備產(chǎn)生?？偩€在空閑狀態(tài)時(shí)，SCL和SDA都保持著高電平，當(dāng)SCL為高電平而SDA由高到低的跳變，表示產(chǎn)生一個(gè)起始條件；當(dāng)SCL為高而SDA由低到高的跳變，表示產(chǎn)生一個(gè)停止條件。在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨(dú)占，其他I2C器件無(wú)法訪問(wèn)總線；而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)。如圖所示：
在了解起始條件和停止條件后，我們?cè)賮?lái)看看在這個(gè)過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸是如何進(jìn)行的。前面我們已經(jīng)提到過(guò)，數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位。主設(shè)備在SCL線上產(chǎn)生每個(gè)時(shí)鐘脈沖的過(guò)程中將在SDA線上傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，當(dāng)一個(gè)字節(jié)按數(shù)據(jù)位從高位到低位的順序傳輸完后，緊接著從設(shè)備將拉低SDA線，回傳給主設(shè)備一個(gè)應(yīng)答位，此時(shí)才認(rèn)為一個(gè)字節(jié)真正的被傳輸完成。當(dāng)然，并不是所有的字節(jié)傳輸都必須有一個(gè)應(yīng)答位，比如：當(dāng)從設(shè)備不能再接收主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備將回傳一個(gè)否定應(yīng)答位。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程如圖所示：
在前面我們還提到過(guò)，I2C總線上的每一個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的地址，主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是建立在地址的基礎(chǔ)上，也就是說(shuō)，主設(shè)備在傳輸有效數(shù)據(jù)之前要先指定從設(shè)備的地址，地址指定的過(guò)程和上面數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程一樣，只不過(guò)大多數(shù)從設(shè)備的地址是7位的，然后協(xié)議規(guī)定再給地址添加一個(gè)最低位用來(lái)表示接下來(lái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?表示主設(shè)備向從設(shè)備寫數(shù)據(jù)，1表示主設(shè)備向從設(shè)備讀數(shù)據(jù)。如圖所示：
I2C總線操作
對(duì)I2C總線的操作實(shí)際就是主從設(shè)備之間的讀寫操作。大致可分為以下三種操作情況：
第一，主設(shè)備往從設(shè)備中寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：
第二，主設(shè)備從從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：
第三，主設(shè)備往從設(shè)備中寫數(shù)據(jù)，然后重啟起始條件，緊接著從從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)；或者是主設(shè)備從從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)，然后重啟起始條件，緊接著主設(shè)備往從設(shè)備中寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：
第三種操作在單個(gè)主設(shè)備系統(tǒng)中，重復(fù)的開啟起始條件機(jī)制要比用STOP終止傳輸后又再次開啟總線更有效率。
1.2 I2C總線硬件接口電路示例
1.2.1 I2C總線硬件接口電路示例一
這個(gè)電路是基于LPC2368 ARM7芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使用其內(nèi)部的I2C接口作為主設(shè)備，使用ADT75和SC16IS740作為兩個(gè)從設(shè)備的I2C總線應(yīng)用。
ADT75是一個(gè)帶I2C接口的溫度傳感器器件，數(shù)據(jù)手冊(cè)上對(duì)其地址的描述如下：
由此，其地址跟A0、A1、A2引腳的接法有關(guān)，我們這里的實(shí)例是將A0、A1、A2全部接到高電平上，因此其地址是：1001111（即0x4F），又因根據(jù)協(xié)議再給地址添加一個(gè)最低位（方向位，默認(rèn)給寫方向），因此最后這個(gè)溫度傳感器作為從設(shè)備的地址是：10011110（即0x9E）。
SC16IS740是一個(gè)具有I2C或者SPI接口的擴(kuò)展UART的器件（通過(guò)第8腳來(lái)決定使用I2C還是SPI接口，我們這里要求使用I2C接口，因此將第8腳接到高電平）。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們同樣的可以知道地址跟A0、A1的接法有關(guān)，我們這里的A0接高電平，A1接低電平。因此這個(gè)器件作為從設(shè)備的地址是：10010010（即0x92）。
1.2.2 I2C總線硬件接口電路示例二
這個(gè)電路是Mini2440開發(fā)板上I2C總線接口的應(yīng)用。我們可以看到，SDA和SCL線上接了一個(gè)10K的上拉排阻。AT24C08是一個(gè)容量為8Kbit的EEPROM存儲(chǔ)器件（注意是8Kbit，也就是1KB） ，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中器件地址部分的描述，AT24C08的地址是：1010+A2A1A0+方向位，其中1010是EEPROM的類型識(shí)別符；僅僅使用A2來(lái)確定總線訪問(wèn)本器件的從設(shè)備地址，這里接的低電平，所以為0；A1和A0是器件內(nèi)部頁(yè)地址，在對(duì)器件擦除或者編程時(shí)使用，雖然這里也接的低電平，但器件內(nèi)部并不使用引腳的輸入值，也就是說(shuō)A1和A0的值是由軟件進(jìn)行設(shè)定的。
1.3 脫離操作系統(tǒng)的I2C總線驅(qū)動(dòng)示例（以電路示例一為例）
1.3.1 LPC2368中I2C接口寄存器描述
LPC2368中有三個(gè)I2C總線接口，分別表示為I2C0、I2C1和I2C2，每個(gè)I2C接口都包含7個(gè)寄存器。它們分別是：
I2C控制置位寄存器（I2CONSET）： 8位寄存器，各位不同的設(shè)置是對(duì)I2C總線不同的控制。
在前面的I2C總線特征中我們提到過(guò)，I2C總線的速率通過(guò)可編程時(shí)鐘來(lái)調(diào)整，即必須通過(guò)軟件對(duì)I2SCLH和I2SCLL寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)選擇合適的數(shù)據(jù)頻率和占空比。 頻率由下面的公式得出（fPCLK是PCLK的頻率）。
LPC2368中I2C總線操作
在1.1.4中我們已經(jīng)講過(guò)了對(duì)I2C總線的操作，但那只是從協(xié)議和時(shí)序上的描述，那我們?nèi)绾螐能浖先ンw現(xiàn)出來(lái)呢？接下來(lái)我們就討論這個(gè)問(wèn)題。
對(duì)I2C總線上主從設(shè)備的讀寫可使用兩種方法，一是使用輪詢的方式，二是使用中斷的方式。輪詢方式即是在一個(gè)循環(huán)中判斷I2C狀態(tài)寄存器當(dāng)前的狀態(tài)值來(lái)確定總線當(dāng)前所處的狀態(tài)，然后根據(jù)這個(gè)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行下一步的操作。中斷方式即是使能I2C中斷，注冊(cè)I2C中斷服務(wù)程序，在服務(wù)程序中讀取I2C狀態(tài)寄存器的當(dāng)前狀態(tài)值，再根據(jù)狀態(tài)值來(lái)確定下一步的操作。
不管使用哪種方法，看來(lái)I2C狀態(tài)寄存器的值是至關(guān)重要的。這些狀態(tài)值代表什么意思呢？下面我們描述一些常用的狀態(tài)值（詳細(xì)的狀態(tài)值含義請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)）。
0x08： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)出了一個(gè)起始條件；
0x10： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)出了一個(gè)重復(fù)的起始條件；
0x18： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)從設(shè)備地址（寫方向）并且接收到從設(shè)備的應(yīng)答；
0x20： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)從設(shè)備地址（寫方向）并且接收到從設(shè)備的非應(yīng)答；
0x28： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并且接收到從設(shè)備的應(yīng)答；
0x30： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并且接收到從設(shè)備的非應(yīng)答；
0x40： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)從設(shè)備地址（讀方向）并且接收到從設(shè)備的應(yīng)答；
0x48： 表明主設(shè)備向總線已發(fā)送了一個(gè)從設(shè)備地址（讀方向）并且接收到從設(shè)備的非應(yīng)答；
0x50： 表明主設(shè)備從總線上已接收一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并且返回了應(yīng)答；
0x58： 表明主設(shè)備從總線上已接收一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并且返回了非應(yīng)答；
四、 總線信號(hào)時(shí)序分析
1. 總線空閑狀態(tài)
SDA和SCL兩條信號(hào)線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高；
2. 啟動(dòng)信號(hào)START
時(shí)鐘信號(hào)SCL保持高電平，數(shù)據(jù)信號(hào)SDA的電平被拉低（即負(fù)跳變）。啟動(dòng)信號(hào)必須是跳變信號(hào)，而且在建立該信號(hào)前必修保證總線處于空閑狀態(tài)；
3. 停止信號(hào)STOP
時(shí)鐘信號(hào)SCL保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），停止信號(hào)也必須是跳變信號(hào)。
4. 數(shù)據(jù)傳送
SCL線呈現(xiàn)高電平期間，SDA線上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平表示0（此時(shí)的線電壓為地電壓），高電平表示1（此時(shí)的電壓由元器件的VDD決定）。只有在SCL線為低電平期間，SDA上的電平允許變化。
5. 應(yīng)答信號(hào)ACK
I2C總線的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)（8位）的方式傳送的，發(fā)送器件每發(fā)送一個(gè)字節(jié)之后，在時(shí)鐘的第9個(gè)脈沖期間釋放數(shù)據(jù)總線，由接收器發(fā)送一個(gè)ACK（把數(shù)據(jù)總線的電平拉低）來(lái)表示數(shù)據(jù)成功接收。
6. 無(wú)應(yīng)答信號(hào)NACK
在時(shí)鐘的第9個(gè)脈沖期間發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)總線，接收器不拉低數(shù)據(jù)總線表示一個(gè)NACK，NACK有兩種用途：
a. 一般表示接收器未成功接收數(shù)據(jù)字節(jié)；
b. 當(dāng)接收器是主控器時(shí)，它收到最后一個(gè)字節(jié)后，應(yīng)發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放總線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)STOP。
五、 尋址約定
地址的分配方法有兩種：
1. 含CPU的智能器件，地址由軟件初始化時(shí)定義，但不能與其它的器件有沖突；
2. 不含CPU的非智能器件，由廠家在器件內(nèi)部固化，不可改變。
高7位為地址碼，其分為兩部分：
1. 高4位屬于固定地址不可改變，由廠家固化的統(tǒng)一地址；
2. 低三位為引腳設(shè)定地址，可以由外部引腳來(lái)設(shè)定（并非所有器件都可以設(shè)定）；
主控器向被控器發(fā)送的信息種類有：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、7位地址碼、讀／寫控制位、10位地址碼、數(shù)據(jù)字節(jié)、重啟動(dòng)信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、時(shí)鐘脈沖。
被控器向主控器發(fā)送的信息種類有：應(yīng)答信號(hào)、數(shù)據(jù)字節(jié)、時(shí)鐘低電平。
下面對(duì)I2C總線通信過(guò)程中出現(xiàn)的幾種信號(hào)狀態(tài)和時(shí)序進(jìn)行分析。
?、倏偩€空閑狀態(tài)。
I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。
②啟動(dòng)信號(hào)。
在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的啟動(dòng)信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。
啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)是由主控器主動(dòng)建立的，在建立該信號(hào)之前I2C總線必須處于空閑狀態(tài)，如圖1所示。
圖1 I2C總線上的啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)
?、弁Ｖ剐盘?hào)。
在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。
停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)，停止信號(hào)也是由主控器主動(dòng)建立的，建立該信號(hào)之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。
?、軘?shù)據(jù)位傳送。
在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。
進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。
只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當(dāng)使用獨(dú)立電源時(shí)），如圖2所示。
圖2 I2C總線上的數(shù)據(jù)位傳送
?、輵?yīng)答信號(hào)。
I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。
應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。
對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。
如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P，如圖3所示。
圖3 I2C總線上的應(yīng)答時(shí)序
?、薏迦氲却龝r(shí)間。
如果被控器需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳送的時(shí)間，則可以通過(guò)把時(shí)鐘線SCL電平拉低并且保持，使主控器進(jìn)入等待狀態(tài)。
一旦被控器釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸就得以繼續(xù)下去，這樣就使得被控器得到足夠時(shí)間轉(zhuǎn)移已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，或者準(zhǔn)備好即將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。
帶有CPU的被控器在對(duì)收到的地址字節(jié)做出應(yīng)答之后，需要一定的時(shí)間去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，來(lái)分析或比較地址碼，其間就把SCL線鉗位在低電平上，直到處理妥當(dāng)后才釋放SCL線，進(jìn)而使主控器繼續(xù)后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送，如圖4所示。
圖4 I2C總線上的插入等待時(shí)間
?、咧貑?dòng)信號(hào)。
在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動(dòng)Sr信號(hào)時(shí)序。
重啟動(dòng)信號(hào)Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會(huì)丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點(diǎn)搶占總線。
?、鄷r(shí)鐘同步。
如果在某一I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1和主器件2，其時(shí)鐘輸出端分別為CLK1和CL【0，它們都有控制總線的能力。
假設(shè)在某一期間兩者相繼向SCL線發(fā)出了波形不同的時(shí)鐘脈沖序列CLK1和CLK2（時(shí)鐘脈沖的高、低電平寬度都是依靠各自內(nèi)部專用計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)生的），在總線控制權(quán)還沒有裁定之前這種現(xiàn)象是可能出現(xiàn)的。
鑒于I2C總線的“線與”特性，使得時(shí)鐘線SCL上得到的時(shí)鐘信號(hào)波形，既不像主器件1所期望的CLK1，也不像主器件2所期望的CLK2，而是兩者進(jìn)行邏輯與的結(jié)果。
CLKI和CLK2的合成波形作為共同的同步時(shí)鐘信號(hào)，一旦總線控制權(quán)裁定給某一主器件，則總線時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)只由該主器件產(chǎn)生，如圖5所示。
圖5 I2C總線上的時(shí)鐘同步
?、峥偩€沖突和總線仲裁。
假如在某I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1和主器件2，其數(shù)據(jù)輸出端分別為DATA1和DATA2，它們都有控制總線的能力，這就存在著發(fā)生總線沖突（即寫沖突）的可能性。
假設(shè)在某一瞬間兩者相繼向總線發(fā)出了啟動(dòng)信號(hào)，鑒于：I2C總線的“線與”特性，使得在數(shù)據(jù)線SDA上得到的信號(hào)波形是DATA1和DATA2兩者相與的結(jié)果，該結(jié)果略微超前送出低電平的主器件1，其DATA1的下降沿被當(dāng)做SDA的下降沿。
在總線被啟動(dòng)后，主器件1企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“101……”，主器件2企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“100101……”。
兩個(gè)主器件在每次發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)位的同時(shí)都要對(duì)自己輸出端的信號(hào)電平進(jìn)行抽檢，只要抽檢的結(jié)果與它們自己預(yù)期的電平相符，就會(huì)繼續(xù)占用總線，總線控制權(quán)也就得不到裁定結(jié)果。
主器件1的第3位期望發(fā)送“1”，也就是在第3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)送出高電平。
在該時(shí)鐘周期的高電平期間，主器件1進(jìn)行例行抽檢時(shí)，結(jié)果檢測(cè)到一個(gè)不相匹配的電平“0”，這時(shí)主器件1只好決定放棄總線控制杈；因此，主器件2就成了總線的惟一主宰者，總線控制權(quán)也就最終得出了裁定結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了總線仲裁的功能。
從以上總線仲裁的完成過(guò)程可以得出：仲裁過(guò)程主器件1和主器件2都不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；各個(gè)主器件沒有優(yōu)先級(jí)別之分，總線控制權(quán)是隨機(jī)裁定的，即使是搶先發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)的主器件1最終也并沒有得到控制杈。
系統(tǒng)實(shí)際上遵循的是“低電平優(yōu)先”的仲裁原則，將總線判給在數(shù)據(jù)線上先發(fā)送低電平的主器件，而其他發(fā)送高電平的主器件將失去總線控制權(quán)，如圖6所示。
圖6 I2C總線上的總線仲裁
⑩總線封鎖狀態(tài)。
在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動(dòng)，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個(gè)器件將時(shí)鐘線SCL鎖定在低電平上即可。
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器和外圍設(shè)備。
I2C總線支持多主控模式，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備。主控能夠控制數(shù)據(jù)的傳輸和時(shí)鐘頻率，在任意的時(shí)刻只能有一個(gè)主控。
組成I2C總線的兩個(gè)信號(hào)為數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。為避免總信號(hào)線的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端必須是開漏輸出或集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的“線與”邏輯，I2C總線上任意器件輸出低電平都會(huì)使相應(yīng)總線上的信號(hào)線變低。
總線空閑時(shí)，上拉電阻使SDA和SCL線都保持高電平。
數(shù)據(jù)線 SDA 的電平狀態(tài)必須在時(shí)鐘線 SCL 處于高電平期間保持穩(wěn)定不變。SDA 的電平狀態(tài)只有在 SCL 處于低電平期間才允許改變。但是在 I2C總線的起始和結(jié)束時(shí)例外。
當(dāng)SCL穩(wěn)定在高電平時(shí)，SDA由高到低的變化將產(chǎn)生一個(gè)開始位，而由低到高的變化則產(chǎn)生一個(gè)停止位。開始位和停止位都是由I2C主設(shè)備產(chǎn)生的。如果從設(shè)備采用7位地址，則主設(shè)備在發(fā)起傳輸前，需先發(fā)送一字節(jié)的地址信息，前7位為設(shè)備地址，最后1位為讀寫標(biāo)志。之后每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也是一個(gè)字節(jié)，從MSB位（Most Significant Bit 最高有效位，對(duì)應(yīng)有LSB： Least Significant Bit 最低有效位）開始傳輸。每個(gè)字節(jié)傳完后，在SCL的第9個(gè)上升沿到來(lái)之前，接受方應(yīng)該發(fā)出一個(gè)ACK位。
應(yīng)答位的時(shí)鐘脈沖仍由主機(jī)產(chǎn)生，而應(yīng)答位的數(shù)據(jù)狀態(tài)則遵循“誰(shuí)接收誰(shuí)產(chǎn)生”的原則，即總是由接收器產(chǎn)生應(yīng)答位。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由從機(jī)產(chǎn)生；主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由主機(jī)產(chǎn)生。I2C總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：應(yīng)答位為 0 表示接收器應(yīng)答（ACK） ，常常簡(jiǎn)記為 A；為 1 則表示非應(yīng)答（NACK） ，常常簡(jiǎn)記為NA。發(fā)送器發(fā)送完 LSB 之后，應(yīng)當(dāng)釋放 SDA 線（拉高 SDA，輸出晶體管截止） ，以等待接收器產(chǎn)生應(yīng)答位。
在切換數(shù)據(jù)的傳輸方向時(shí)，可以不必先產(chǎn)生停止條件再開始下次傳輸，而是直接再一次產(chǎn)生開始條件。I2C 總線在已經(jīng)處于忙的狀態(tài)下，再一次直接產(chǎn)生起始條件的情況被稱為重復(fù)起始條件。例如：訪問(wèn)某一具有 I2C總線接口的 E2PROM 存儲(chǔ)器時(shí)，主機(jī)先向存儲(chǔ)器輸入存儲(chǔ)單元的地址信息（發(fā)送數(shù)據(jù)） ，然后再讀取其中的存儲(chǔ)內(nèi)容（接收數(shù)據(jù)）。
帶有 I2C 總線的器件除了有從機(jī)地址（Slave Address）外，還可能有子地址。從機(jī)地址是指該器件在 I2C 總線上被主機(jī)尋址的地址， 而子地址是指該器件內(nèi)部不同部件或存儲(chǔ)單元的編址。 與從機(jī)地址一樣，子地址實(shí)際上也是像普通數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行傳輸?shù)?，傳輸格式仍然是與數(shù)據(jù)相統(tǒng)一的，區(qū)分傳輸?shù)牡降资堑刂愤€是數(shù)據(jù)要靠收發(fā)雙方具體的邏輯約定。子地址的長(zhǎng)度必須由整數(shù)個(gè)字節(jié)組成，可能是單字節(jié)（8 位子地址） ，也可能是雙字節(jié)（16 位子地址） ，還可能是 3 字節(jié)以上，這要看具體器件的規(guī)定。
I2C體系結(jié)構(gòu)分3個(gè)部分：I2C核心、I2C總線驅(qū)動(dòng)、I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
I2C核心提供了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)、注銷方法，I2C通信方法上層的、與具體適配器無(wú)關(guān)的代碼以及探測(cè)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備地址的上層代碼等。
I2C總線驅(qū)動(dòng)是對(duì)I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中適配器端的實(shí)現(xiàn)，適配器可由CPU控制，甚至可以直接集成在CPU內(nèi)部。包含了i2c_adapter、i2c_algorithm和控制I2C適配器產(chǎn)生通信信號(hào)的函數(shù)。通過(guò)I2C總線驅(qū)動(dòng)的代碼，我們可以控制I2C適配器以主控方式產(chǎn)生開始位、停止位讀寫周期，以及以從設(shè)備方式被讀寫，產(chǎn)生ACK等。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)是對(duì)I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中設(shè)備端的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過(guò)I2C適配器與CPU交換數(shù)據(jù)。包含了i2c_driver和i2c_client。
所有的I2C設(shè)備都在sysfs文件系統(tǒng)中顯示，存于/sys/bus/i2c/目錄下，以適配器地址和芯片地址的形式列出。
i2c_adapter對(duì)應(yīng)于物理上的一個(gè)適配器，而i2c_algorithm對(duì)應(yīng)一套通信方法。一個(gè)I2C適配器需要i2c_algorithm提供的通信函數(shù)來(lái)控制適配器上產(chǎn)生特定的訪問(wèn)周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用的i2c_algorithm的指針。
i2c_driver對(duì)應(yīng)一套驅(qū)動(dòng)方法，是純粹的用于輔助作用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它不對(duì)應(yīng)于任何的物理實(shí)體。i2c_client對(duì)應(yīng)于真實(shí)的物理設(shè)備，每個(gè)I2C設(shè)備都需要一個(gè)i2c_client來(lái)描述。i2c_client一般被包含在I2C字符設(shè)備的私有信息結(jié)構(gòu)體中。
i2c_driver于i2c_client發(fā)生關(guān)聯(lián)的時(shí)刻在i2c_driver的attach_adapter（）函數(shù)被運(yùn)行時(shí)。attach_adapter（）會(huì)探測(cè)物理設(shè)備，當(dāng)確定一個(gè)client存在時(shí)，把該client使用的i2c_client數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的adapter指針指向?qū)?yīng)的i2c_adapter，driver指針指向該i2c_driver，并會(huì)調(diào)用i2c_adapter的client_register（）函數(shù)。相反的過(guò)程會(huì)發(fā)生在i2c_driver的detach_client（）函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候。
i2c_transfer（）函數(shù)用于進(jìn)行I2C適配器和I2C設(shè)備之間的一組消息交互，i2c_master_send（）函數(shù)和i2c_master_recv（）函數(shù)內(nèi)部會(huì)調(diào)用i2c_transfer（）函數(shù)分別完成一條寫消息和一條讀消息。i2c_transfer（）函數(shù)本身并不具備驅(qū)動(dòng)適配器物理硬件完成消息交互的能力，它只是尋找到i2c_adapter對(duì)應(yīng)的i2c_algorithm，并使用i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)真正驅(qū)動(dòng)硬件流程。
I2C總線驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)需完成兩個(gè)工作：
1.初始化I2C適配器所使用的硬件資源，如申請(qǐng)I/O地址、中斷號(hào)等。
2.通過(guò)i2c_add_adapter（）添加i2c_adapter的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這個(gè)i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員已經(jīng)被xxx適配器的相應(yīng)函數(shù)指針?biāo)跏蓟?/p>
I2C總線驅(qū)動(dòng)模塊的卸載函數(shù)要完成的工作與加載函數(shù)相反。
I2C總線通信方法：我們要為特定的I2C適配器實(shí)現(xiàn)其通信方法，主要實(shí)現(xiàn)i2c_algorithm的master_xfer（）函數(shù)和functionality（）函數(shù)。functionality（）函數(shù)用于返回algorithm所支持的通信協(xié)議，如I2C_FUNC_I2C、I2C_FUNC_10BIT_ADDR、I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE、I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE等。master_xfer（）函數(shù)在I2C適配器上完成傳遞給它的i2c_msg數(shù)組中的每個(gè)I2C消息。
master_xfer（）函數(shù)處理I2C消息數(shù)組，對(duì)于數(shù)組中的每個(gè)消息，判斷消息類型，若為讀消息，則賦從設(shè)備地址為（msg-》addr《《1）| 1 ，否則為msg-》addr《《1（賦地址為setaddr）。對(duì)每個(gè)消息產(chǎn)生一個(gè)開始位，緊接著傳送從設(shè)備地址，然后開始數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，對(duì)最后的消息還需產(chǎn)生一個(gè)停止位。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)（i2c_driver和i2c_client）。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)要使用i2c_driver和i2c_client數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并填充其中的成員函數(shù)。i2c_client一般被包含在設(shè)備的私有信息結(jié)構(gòu)體yyy_data中，而i2c_driver則適合被定義成全局變量并初始化。
I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載函數(shù)中會(huì)做：
（1）通過(guò)register_chrdev（）函數(shù)將I2C設(shè)備注冊(cè)為一個(gè)字符設(shè)備。
?。?）通過(guò)I2C核心的i2c_add_driver（）函數(shù)添加i2c_driver。
模板卸載函數(shù)中則相反。
yyy_init（）-》i2c_add_driver（）-》yyy_attach_adapter（）-》i2c_probe（）-》yyy_detect（）-》i2c_client初始化-》i2c_attach_client（）-》yyy_init_client
yyy_exit（）-》i2c_del_driver（）-》yyy_detach_client（）-》i2c_detach_client（）
作為一種字符類設(shè)備，Linux I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的文件操作接口與普通的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是完全一致的。I2C設(shè)備的寫操作經(jīng)歷了如下幾個(gè)步驟：
?。?）從用戶空間到字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)寫函數(shù)接口，寫函數(shù)構(gòu)造I2C消息數(shù)組。
?。?）寫函數(shù)把構(gòu)造的I2C消息數(shù)組傳遞給I2C核心的傳輸函數(shù)i2c_transfer（）。
?。?）I2C核心的傳輸函數(shù)i2c_transfer（）找到對(duì)應(yīng)適配器algorithm的通信方法函數(shù)master_xfer（）去最終完成I2C消息的處理。
read（）/write（）（用戶空間）-》yyy_read（）/yyy_write（）（I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件操作接口）-》i2c_transfer（）（I2C核心）-》master_xfer（）（I2C總線驅(qū)動(dòng)）
i2c-dev.c文件完全可以被看做一個(gè)I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)，不過(guò)，它實(shí)現(xiàn)的一個(gè)i2c_client是虛擬、臨時(shí)的，隨著設(shè)備文件的打開而產(chǎn)生，并隨設(shè)備文件的關(guān)閉而撤銷，并沒有被添加到i2c_adapter的clients鏈表中。i2c-dev.c針對(duì)每個(gè)I2C適配器生成一個(gè)主設(shè)備號(hào)為89的設(shè)備文件，實(shí)現(xiàn)了i2c_driver的成員函數(shù)以及文件操作接口，所以，i2c-dev.c的主體式“i2c_driver成員函數(shù)+字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)”。
i2c-dev.c中提供i2cdev_read（）、i2cdev_write（）函數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)用戶空間要使用的read（）和write（）文件操作接口，這兩個(gè)函數(shù)分別調(diào)用I2C核心的i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函數(shù)來(lái)構(gòu)造一條I2C消息并引發(fā)適配器algorithm通信函數(shù)的調(diào)用，完成消息的傳輸。i2cdev_read（）和i2cdev_write（）函數(shù)不具備太強(qiáng)的通用性，滅有太大的使用價(jià)值，只能適用于非RepStart模式的情況。對(duì)于兩條以上消息組成的讀寫，在用戶空間需要組織i2c_msg消息數(shù)組并調(diào)用I2C_RDWR IOCTL命令。
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