I2C-協定用法原理簡介-晶片溝通的橋樑

以下圖案皆摘自NXP此篇文章
http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf

I2C(Inter-Integrated Circuit)，唸做I-square-C，它是NXP(前身為飛利浦)開發的通訊協定，主要用來做為IC之間的通訊。它的速度一般是100Kbit/s，有些是400Kbit/s，現在更有到1M bit/s與3.4Mbit/s，因此無法像Ethernet那麼快，所以不適合傳送大量資料。但是它又比RS232快速，所以它非常適合拿來設定IC初始值，或是IC之間的控制訊號傳輸。由於I2C只用兩條線通訊SDA(data)/SCL(clock)，因此空間超級省。厲害的通訊協定總是要有個像樣的icon，上方是NXP為它設計的Icon。

甚麼東西最常用到I2C呢? 一般就是小型IC，例如Serial EEPROM/ Tuner/ Demodulator/ MCU/ ADC 等等。I2C 是master/slave架構，一個系統內通常只能有一個master，其他裝置只能當slave。我說”通常”是因為spec裡面有寫它可以multimaster，但是實務上我遇到的都只有一個master配多個slave，所以我就只討論single master。

I2C 如何傳資料

I2C是序列式的傳輸，只用兩條線，一個叫做SDA專門用來送資料，另一個叫做SCL是用來傳clock。資料格式如下圖，依序是由start condition所開始，然後開始傳資料，最後stop condition結束。所謂start condition就是這兩條線的某種狀態的組合可以拿來認定傳輸的開始。

上圖最左邊是Start condition: SCL=high + SDA falling
上圖最右邊是Stop condition: SCL=high + SDA raising

至於中間的資料，它是以8+1bit為一組來傳送的，意思是說8bit data外加1bit的Acknowledge，ACK是slave用來回應master用的，表示已經收到資料了。clock的positive pulse必須完整包含在bit data之內。以上就是I2C在physical layer的資料傳送說明，那一般IC如何應用它呢? 我們來看下面的例子實際體會一下

I2C protocol應用實例說明

這是一顆EEPROM的I2C使用說明，敘述這顆IC如何利用I2C來與外界溝通

上圖的意思就是，你若要寫一個byte，就必須要傳送4個byte的指令，我說明如下。

第一個byte是I2C位址

這顆EEPROM的位址是1010[A2][A1][A0]0，可以讓IC知道之後面3個byte資料是要傳給自己的。相信你也看到了A2,A1,A0這甚麼東西呢?這個是讓user自行定義I2C address的功能(圖中稱呼為Control byte)，若有需要同時使用兩顆EEPROM，user可以自行用IC的兩根腳位來定義I2C address。所以你可以在IC的A2~A0腳位上接Vcc或接GND用來表示1 or 0，這樣就能達成自訂address的目的

第2,3個byte是記憶體位址

這是一顆256Kbit (32K byte)的記憶體，這兩個byte是用來告訴EEPROM你想把資料寫在哪個位址。

第4個byte是資料

我想這個data byte就不多說了，就data而已。

I2C通訊成功要有ACK

目前的說明對於一般人應該是沒甚麼大問題。然而魔鬼總是藏在細節裡，若各位有寫Firmware，應該多少會遇到這種狀況，data、clock都送了，IC就是不動作，該怎麼辦? 在這個階段，我看過的作法有加delay、改變程式的呼叫順序等等，總之就是無法解問題，其實上述的處理方式大都是下意識地迴避I2C訊號的檢查。

我建議這時你應該要拿起示波器，看看第9個bit ACK是否為low，ACK low表示資料有收到。ACK是判斷Master/Slave之間通訊是否正常的重要依據。你看時序圖每個byte傳送完都是low (若正常動作的話)，。

那麼是否每個byte的通訊都會有ACK呢? 那可不一定，因為每顆IC對於I2C的使用有自己的format，我們來看下圖，這是random read的指令序列

最開始的3個byte很好裡解 address + addrH + addrL，接下來各位要注意，它多了一個start condition，有些datasheet會把這裡的start寫成re-start，其實都是同一件事。Start之後緊接著又是I2C address，這裡又要注意另外一件事，就是I2C的address有分為兩類，write address與read address，他們的差別在於最後一個bit是0 or 1，0表示write ，1表示read。

例如
Addr=0xA0表示後面的byte是master要寫入slave的資料。
Addr=0xA1表示後面的byte是master要從slave讀出的資料。

目前走到第二個start這裡，都是master傳送SDA/SCL，一旦read address傳送結束，master就不再送SDA了，master只送SCL。SDA留給slave把資料傳回來，而最後一個bit就是NACK(high)，NACK的意義就是回傳的最後一個byte。通常寫Firmware的人會知道自己期望讀多少byte，然而實際回傳的byte數量，只能由NACK來做判斷。

I2C很方便，只是要留意的小地方很多，NACK , 2nd Start (re-start)這種東西要多留意，只要protocol正確，chip一定會動作。寫Firmware的人通常手上的板子是工程樣品，所以你的元件功能不見得是正常的，所以遇到問題一定要拿起示波器Debug，才能真正寫出符合該Hardware的程式。