MCU通信协议(二)：I2C协议
I2C概述
I2C（Inter IC BUS）是一种半双工的通信协议，具有以下特点：
同步半双工：一根线发送和接收数据，最大化利用线资源；时钟线保证时序一致性，去除对硬件异步电路依赖；
两根数据线：即时钟线SCL（Serial Clock）与数据线SDA（Serial Data）
一主多从/多主多从：允许多个从机挂载在I2C总线上，一个系统的从机也可以通过多主多从成为主机；
具有数据应答功能：发送、接收一个字节都需要进行数据确定；
通信速率较低：100kbps、400kbps、3.4Mbps；
I2C硬件设计
硬件上，I2C只需要两根线就可以将多个从机链接在一起，节省了数据线的资源。另一个特点是，I2C的数据线均采用开漏输出的模式。
首先SDA必须采取开漏输出：在GPIO模式讨论过开漏输出的特点，也即低电平仍然是mos管导通接地，是一种强下拉。而漏极是开路的，说明无法直接输出高电平，只能通过外接电阻（I2C中一般采用4.7k限流电阻）输出高电平，mos管阻值很大，因此上拉电压接近外部电压，是一种弱上拉；这种模式在主机、从机SDA或者实现从机线与时，不会导致输出灌流到mos管，损坏器件。
SCL采取开漏输出：SCL作为时钟线，在一主多从只要配合好电平控制时序，这种情况下主机SCL可以设置为推挽输出，从机SCL设置为输入模式；但是I2C还支持多主多从协议，开漏输出上是线与逻辑，意味着只要一个从机拉低了总线电平，SCL总线就处于低电平，通过这种方式其他从机能够发出中断信号或者仲裁控制信号，转换成主机角色。因此习惯上，SCL仍然采用开漏输出的模式。
I2C通信时序（一主多从）
本文仅讨论一主多从下的I2C时序，暂时不涉及多主仲裁的I2C协议。
一主多从模式下SCL、SDA的控制权掌握在主机手中，只有从机发送数据、主机接收时从机能获得SDA短暂控制权，而SCL控制权一直由主机控制。
主机召唤（起始条件）和劝退（终止条件）从机的时序
主机召唤从机时序：SCL、SDA初始为高电平，主机首先将SDA拉低，所有从机接收该数据会将自身复位并且等待主机召唤，然后主机再将SCL拉低，说明数据的发送/接收时序即将开始。
数据传输完成，主机劝退从机时序如下：SCL、SDA发送/接收数据结束都是处于低电平，主机需要将SCL拉高（释放），代表时钟占用完成，再将SDA拉高回复到初始状态。
I2C协议没有片选线来选择从机设备，而是通过SDA发送从机ID来选中设备。
发送/接收一个字节时序
SCL在召唤从机将SCL拉低后，就可以将数据放到SDA总线上，高位先行(MSB)，然后主机拉高SCL，从机会在SCL高电平期间读取SDA总线的高低电平（SCL高电平期间不允许SDA电平变化），然后主机继续拉低SCL继续放第二位数据，如此循环8次，即完成一个字节的发送时序；
主机接收时，需要交出SDA控制权，SCL仍然由主机控制；SCL低电平时，从机将数据放在SDA总线，主机拉高SCL时，读取SDA总线的电平作为一位数据，高位在前(MSB)，然后拉低SCL，从机再次放第二位数据，如此循环8次，主机即接收了一个字节数据。
数据应答时序
主机和从机作为接受方接收一个字节数据时都会使用应答机制：
接收应答：主机发送一个字节后，从机应该发送一个位的数据应答主机（此时SDA控制权转交从机），发0代表应答，发1代表非应答；
发送应答：主机接收一个字节数据后，应该发送一位数据应答从机，发0代表应答，1代表非应答；
特殊的I2C完整时序
以上六个时序作为I2C时序的基本单元，拼接这些基本单元就组成了I2C发送/接收数据的方法。以下介绍了一些I2C习惯用例，包括写地址、指定地址写、读地址、指定地址读等简述，更详细应该参考对应外设的数据手册。
写地址时序
I2C主机通过从机地址（Slave Address）来选择要读写的从机对象，许多外设习惯采用7位地址。其中高几位为厂商约定，低几位可以由指定引脚电平确定，这样允许了同一芯片也具有不同的从机设备地址。
地址之后的0和1通常用于表示主机要进行读操作还是写操作，其中0代表主机要写入数据，1表示主机要读取数据；
指定地址写数据
发完以上8位数据，从机SDA发送0代表ACK应答，主机可以继续写入数据，首先发送8位的数据，通常是需要写入数据寄存器的地址（Reg Address），从机发送ACK应答，主机继续写入8位数据，代表写入的数据，从机发送ACK应答......直到主机数据发送完毕，发出终止条件（SCL先拉高，再拉高SDA）。
读数据/指定地址读
I2C主机读数据时序：发完以上8位数据（第8位为1代表读），从机发送ACK应答，然后从机开始向SDA总线发数据，这个数据就是数据，而不是寄存器地址；从机内部往往会维护一个计数器，称地址指针（CADDR），每次写入操作时，地址指针就指向写入地址的寄存器，写入数据完成，指针自动+1，指向下一个寄存器，此时进行读数据，读取的就是这个寄存器的数据。
然后继续主机接收数据，发送ACK应答，如果为0代表主机接收，并且期望接收数据，从机应该继续向SDA发送信息；如果ACK发送的是1，代表主机期望停止数据接收，从机抛出控制权，主机发出终止条件停止接收。
如果需要指定地址读，就需要拼接时序： 首先主机发送起始条件、7位设备地址，发送1位读写标志位0（代表写），然后从机ACK应答，然后发送8位寄存器地址（更新地址指针），从机应答ACK，此时不应该写入数据，而是读取地址指针的数据，所以主机应该再发起一次起始条件（SDA先拉低、SDL再拉低），发送7位设备地址+1位读写标志位1（代表读），然后从机向SDA放数据，此时的数据就是指定寄存器的数据。
总结，一些要点：
主机写操作发送地址后会指定地址，而读操作不会；
起始条件后发送一个字节的最后一位才会被认为是读写标记的转换，读写操作转换都应该重复发送起始条件；
无论是指定位置读还是写，指定位置一次即可，后面发送/接收数据，每发送/接收一字节数据，下一个字节的数据就来自下一个寄存器的内容，这个过程由地址指针完成；
主机读数据结束时，一定要发送ACK=1的非应答，代表获取SDA控制权，才能正常发送终止条件结束接收数据；