I2C通訊原理介紹

前言

I2C通訊是常見嵌入式系統通訊的一種方式，像是一般我們創克在使用時候，連接某些感測器，他們要求的通訊，就是I2C通訊，就要採用這樣的通訊方式進行傳輸。

I2C通訊現在是由NXP這家公司matain，可以去查查看這個規格操作手冊。

什麼是I2C通訊呢?

他是由兩條線索構成，它的傳輸會透過這兩條線，一條是SCL，另一條是SDA，就是透過這兩條線組成訊號進行傳輸。

雖然只有這兩條線，但是他的組合是非常多，就可以透過這種方式傳輸非常多種的訊號。

SCL代表是clock時鐘訊號，SDA則是傳輸的資料訊號，SCL訊號的變化可以表示SDA傳輸資料是什麼意思。

I2C通訊架構設定

I2C他是要先區分master跟slave，主從架構，他可以有多個slave的傳輸，I2C的通訊主要是從master發送至slave。

在master與slave之間，會有pull up的電路，才能讓I2C通訊有0,1之間的變化。所謂的pull up電路，指的就是在master與slave之間有pull up的電阻，在pull up電阻上方會有Vcc的供電。我們以一般master為MCU，slave為感測器為例，MCU會接SDA與SCL的連接線，這時候在韌體設置上，MCU要採用open drain的方式，open drain指的是有別與一般常用的GPIO控制是push pull的方式。open drain是要靠外部電阻，才能讓訊號從1變0或0變1。就是透過這種方式才可以讓SDA與SCL訊號產生0與1的邏輯訊號。這時因為嵌入式電子裝置，也都是以0與1的邏輯訊號運作，所以如果是輸入訊號像是3.2的數值，對機器而言，還要額外去做轉換，才能讓機器理解。 

這邊要注意的是，因為是透過pull up電路產生0~1訊號，所以在實作上要確保I2C電壓要有一定的數值，才能運作通訊，有時候在開發過程中，發現電壓不足，就會一直導致通訊失敗，這樣就是硬體電路的問題，要再做修改。

I2C通訊協定

I2C在通訊時，一定要給定slave的地址，他們要認地址才確定有沒有通訊成功，所以是一個相對嚴謹的通訊方式。

下面是I2C通訊的訊號結構，通訊一開始會有start，之後會傳輸slave地址，要指定R/W bit是讀寫，指的是這次要做的操作是讀取還是寫入，然後slave要回傳有沒有接收到，如果有，就要傳送ACK，代表slave有接收到訊息，這時候就可以傳遞內容，在後面部分就可以傳遞傳輸的資料Data，傳完之後一樣要給slave應答資料ACK，然後在給停止訊號。

開始訊號跟停止訊號怎麼敲的呢?

在SCL是高位的時候，SDA從高到低，代表起始訊號。

在SCL是高位的時候，SDA從低到高，代表終止訊號。

Slave address

7-bit地址

代表slave的地址，只有7個bit，傳輸都是1個byte為基準，也就是8bits去進行傳輸。所以在7bit後面會接一個read/write的指令，表示這次的操作是讀或是寫，這樣就可以變成是8bit進行傳輸。

10-bit地址

這就代表slave地址總共有10bits，會分成有兩個byte傳輸，前面8bit，會先由11110組成，後面兩位是10bits地址的最前面兩位，然後尾巴是read/write bit，剩下來的8bit地址就會放到第二個byte來進行傳輸。

ACK與NACK訊號

ACK訊號就是來自於slave的傳輸，slave要回應他有沒有接收到，要傳送ack訊號的時候，master就會把SDA釋放，讓slave去拉動，這時候slave就會把SDA拉低，然後此時SCL在高位的位置，這就是代表ACK的訊號。

當SDA持續在低位，SCL在高位，就是NACK的訊號，這時候master可以決定要傳送stop條件或是repeated start。

Data資料 

data的部分就是待傳輸的資料，像是如果是控制slave的暫存器，這時候data就是要對slave下的command，或是如果要從slave讀取資料，那data就是接收來自slave傳遞的資料。

結論

本篇文章簡單介紹I2C通訊，介紹初步的概念，之後就可以基於這個概念去延伸。