2000字说透I2C总线速为手机维修培训

看标题大家已经知道了是来总结I2C总线，我相信大家或多或少的都接触过I2C总线，这篇文章我们就由浅入深的仔细来研究研究，看看能不能挖掘些新东西，加深一下理解。手机主板上有很多i2c总线设备，其中一个非常重要的叫做逻辑码片，以前的6代到8代这些全都可以用设备把里面的数据读出来写到另一个里面就可以代替，但从xs这一代开始，虽然能读出这个逻辑码片里的数据信息，也能写到另一个码片里，但是却不能代替使用，同样也是只有4个信号。

I2C-1、先说概念

I2C英文全称Inter-IntegratedCircuit，字面意思是集成电路之间，也就是我们常说的I方C总线—I2Cbus。它是一种串行通讯总线，使用多主从架构，由飞利浦公司（恩智浦NXP的母公司）在80年代开发，用于主板、嵌入式系统连接周边低速设备。

I2C由两条双向开漏线组成，这是一个很大的优势，接线简单。两条线利用上拉电阻将电位上拉。典型电位为+3.3V或+5V。标准传输速率为Kb/s，低速模式10Kb/s。

I2C-2、物理层

下图为I2C总线的物理拓扑图，大家可以看到一共只有两条总线，一条SDA(serialdata)数据线用来承载数据、一条SCL(serialclockline)时钟线用来控制数据收发时序。所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上，SCL都接到了总线的SCL上。每个设备都有自己的唯一地址，以保证设备之间访问的准确性。

I2C在物理层的连接可以说是非常简单，这也是它最大的优势，原理就是通过控制SDA和SCL线的高低电平时序，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据传输。在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。

需要注意的是I2C的通讯方式为半双工，因为只有一条数据线，某一时刻只可能单向通讯。这也说明了I2C不适合大数据量的传输应用。

对于主机、从机的区分很简单，发布主要命令的就是主机，接受命令的就是从机，同一条I2C总线允许多个主机的存在。

I2C-3、协议层

作为基础我们先来了解几个重要的小概念。

1、初始状态(即空闲状态)：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；

2、开始信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉低，此为开始信号，表明通讯开始。

3、终止信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉高，此为终止信号，表明本次通讯结束。

到这里大家有没有发现点什么？当SCL处于高电平的时候，SDA电平一旦变化就会是一种信号，要么开始要么是终止。所以在数据传输过程中，SCL处于高电平时，SDA必须保持状态稳定，只有SCL处于低电平时SDA才可以变化。

4、应答信号：当发送器向接收器发送完一个字节/8位数据后，第9个时钟周期内，接收器必须给发送器一个应答信号，这样数据才算传输成功。高电平表非应答，低电平表应答。

我们了解这几个信号状态后，来一步一步看看数据是如何传输的。

1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始信号+设备地址(7位)+读/写(1位)+等待从机应答+寄存器地址(8位)+等待从机应答+要写的数据(8位)+等待从机应答+终止信号。下图为24C02EEPROM存储器写数据的时序图。

2、写我们见识了，那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图，是不是一目了然了。值得注意的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1。这里说一下为什么最后是NOACK，在“读”这个操作下，主机为接收器，主机的NOACK表示停止接收24C02的数据，不然24C02会继续发。

3、我们再读一个长一点的：下图为读取24C02任意地址一个字节数据的时序图。开始信号+设备地址(7位)+写(1位)+等待从机应答+数据地址(8位)+等待从机应答。前面这一步为假写，目的是告诉24C02要读哪个地址的数据。继续，开始信号+设备地址(7位)+读(1位)+等待从机应答+读到的数据(8位)+等待主机(接收机)应答+终止信号。

I2C-4、补点干货

1、设备的地址。I2C设备的地址为8位，但是时序操作时最后一位不属于地址，而是读or写状态位。这就是为什么arduino的SH库里操作的地址不是0x7-而是0x3-，因为有用的是前7位，地址整体右移一位处理了。再一个设备地址的前四位是固定死的，是厂家用来表示设备类型的，比如接口为I2C的温度传感器类设备地址前四位一般为1即9X、EEPROM存储器地址前四位一般为即AX、oled屏地址前四位一般为即7X等等。

2、I2C接口的致命缺点就是传输距离近同时速度慢。大家在使用I2C总线接口的时候切记不要长线传输，尽量只在PCB板内传输，不然偶尔丢数据甚至读不到数据会让人崩溃，不要问我是怎么知道的，问只有眼泪。

3、关于两线为什么设计成开漏，这个问题我记得我之前在写《STM32单片机I/O的8种工作模式》时给大家埋下过伏笔。今天就来说一下具体原因。主要有两点①防止短路：大家想想如果不设为开漏，而设为推挽，几个设备连在同一条总线上，这时某一设备的某个IO输出高电平，另有一台设备的某一个IO输出低电平，这时你会发现这两个IO的VCC和GND短路了；但是开漏就不会有这个问题，如下图示：

第二个原因是“线与”，我们想个场景：如果总线上的一个A设备将SDA拉高，这时总线上另一个B设备已将SDA拉低，这时由于10=0，所以A设备检查SDA的时候会发现不是高电平而是低电平，这就表明总线上已经有其他设备占用总线了，A只好放弃，如果检测是高电平那就可以使用。如下图示为24C02芯片内部图，可以看到状态检测脚。

I2C-5、总结

I2C总线作为一个常见的总线协议，是非常值得我们来仔细研究琢磨的，通透以后我们再使用任意I2C接口的设备时就可以信手拈来了。我一直觉得在学习的过程中，“会使用”不一定就是我们追求的终点，会用的同时把一些更深的东西搞懂搞透会收获意想不到的喜悦。

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