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I2C串行總線概述
I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。
I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。
I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閒時，兩根線均爲高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關係。
每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數據傳送可以是由主機發送數據到其它器件，這時主機即爲發送器。由總線上接收數據的器件則爲接收器。
在多主機系統中，可能同時有幾個主機企圖啓動總線傳送數據。爲了避免混亂， I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。
在80C51單片機應用系統的串行總線擴展中，我們經常遇到的是以80C51單片機爲主機，其它接口器件爲從機的單主機情況。
I2C總線的數據傳送
一、數據位的有效性規定
I2C總線進行數據傳送時，時鐘信號爲高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘線上的信號爲低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。
二、起始和終止信號
SCL線爲高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線爲高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。
起始和終止信號都是由主機發出的，在起始信號產生後，總線就處於被佔用的狀態；在終止信號產生後，總線就處於空閒狀態。
連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。對於不具備I2C總線硬件接口的有些單片機來說，爲了檢測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘週期內對數據線SDA採樣兩次。
接收器件收到一個完整的數據字節後，有可能需要完成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處於等待狀態。直到接收器件準備好接收下一個字節時，再釋放SCL線使之爲高電平，從而使數據傳送可以繼續進行。
三、數據傳送格式
（1）字節傳送與應答
每一個字節必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節後面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。
由於某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數據），它必須將數據線置於高電平，而由主機產生一個終止信號以結束總線的數據傳送。
如果從機對主機進行了應答，但在數據傳送一段時間後無法繼續接收更多的數據時，從機可以通過對無法接收的第一個數據字節的“非應答”通知主機，主機則應發出終止信號以結束數據的繼續傳送。
當主機接收數據時，它收到最後一個數據字節後，必須向從機發出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現的。然後，從機釋放SDA線，以允許主機產生終止信號。
（2）數據幀格式
I2C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。
在起始信號後必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/），用“0”表示主機發送數據（T），“1”表示主機接收數據（R）。每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續佔用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址。
在總線的一次數據傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：
a、主機向從機發送數據，數據傳送方向在整個傳送過程中不變：
注：有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數據由從機向主機傳送。
A表示應答， 表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。。
b、主機在第一個字節後，立即由從機讀數據
c、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重複產生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。
四、總線的尋址
I2C總線協議有明確的規定：採用7位的尋址字節（尋址字節是起始信號後的第一個字節）。
（1）尋址字節的位定義
D7～D1位組成從機的地址。D0位是數據傳送方向位，爲“0”時表示主機向從機寫數據，爲“1”時表示主機由從機讀數據。
§主機發送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認爲自己正被主機尋址，根據R/位將自己確定爲發送器或接收器。
§從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統中。
（2）尋址字節中的特殊地址
固定地址編號0000和1111已被保留作爲特殊用途。
起始信號後的第一字節的8位爲“0000 0000”時，稱爲通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節中加以說明。格式爲：
第二字節爲 06H時，所有能響應通用呼叫地址的從機器件復位，並由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的從機器件復位時不拉低SDA和SCL線，以免堵塞總線。
第二字節爲 04H時，所有能響應通用呼叫地址並通過硬件來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位，但不進行復位。
如果第二字節的方向位B爲“1”，則這兩個字節命令稱爲硬件通用呼叫命令。
在這第二字節的高7位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，並與之傳送數據。硬件主器件作爲從機使用時，也用這個地址作爲從機地址。格式爲：
在系統中另一種選擇可能是系統復位時硬件主機器件工作在從機接收器方式，這時由系統中的主機先告訴硬件主機器件數據應送往的從機器件地址，當硬件主機器件要發送數據時就可以直接向指定從機器件發送數據了。
（3）起始字節
起始字節是提供給沒有I2C總線接口的單片機查詢I2C總線時使用的特殊字節。
不具備I2C總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬件接口器件的速度就出現了較大的差別，爲此，I2C總線上的數據傳送要由一個較長的起始過程加以引導。
引導過程由起始信號、起始字節、應答位、重複起始信號（Sr）組成。
§請求訪問總線的主機發出起始信號後，發送起始字節（0000 0001），另一個單片機可以用一個比較低的速率採樣SDA線，直到檢測到起始字節中的7個“0”中的一個爲止。在檢測到SDA線上的高電平後，單片機就可以用較高的採樣速率，以便尋找作爲同步信號使用的第二個起始信號Sr。
§在起始信號後的應答時鐘脈衝僅僅是爲了和總線所使用的格式一致，並不要求器件在這個脈衝期間作應答。
80C51單片機I2C串行總線器件的接口
總線數據傳送的模擬
主機可以採用不帶I2C總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現I2C總線的數據傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬。
一、典型信號模擬
爲了保證數據傳送的可靠性，標準的I2C總線的數據傳送有嚴格的時序要求。I2C總線的起始信號、終止信號、發送“0”及發送“1”的模擬時序 ：
二、典型信號模擬子程序
（1）起始信號
Void T2CStart(void)
{
SomeNop( );
SCL = 1;
SomeNop( );
SDA = 0;
SomeNop( );
SCL = 0;
SomeNop( );
}
（2）終止信號
void I2cStop(void)
{
SDA = 0;
SomeNop( );
SCL = 1;
SomeNop( );
SDA = 1;
SomeNop( );
SCL = 0;
}
I2C總線器件的擴展
一、擴展電路
二、串行E2PROM的擴展
（1）串行E2PROM典型產品
ATMEL公司的AT24C系列：
AT24C01：128字節（128×8位）；
AT24C02：256字節（256×8位）；
AT24C04：512字節（512×8位）
AT24C08：1K字節（1K×8位）；
AT24C16：2K字節（2K×8位）；
（2）寫入過程
AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分爲1010，A2、A1、A0引腳接高、低電平後得到確定的3位編碼。形成的7位編碼即爲該器件的地址碼。
單片機進行寫操作時，首先發送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位，即一個字節），發送完後釋放SDA線並在SCL線上產生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址後，在SDA線上產生一個應答信號作爲響應，單片機收到應答後就可以傳送數據了。
傳送數據時，單片機首先發送一個字節的被寫入器件的存儲區的首地址，收到存儲器器件的應答後，單片機就逐個發送各數據字節，但每發送一個字節後都要等待應答。
AT24C系列器件片內地址在接收到每一個數據字節地址後自動加1，在芯片的“一次裝載字節數”（不同芯片字節數不同）限度內，只需輸入首地址。裝載字節數超過芯片的“一次裝載字節數”時，數據地址將“上卷”，前面的數據將被覆蓋。
當要寫入的數據傳送完後，單片機應發出終止信號以結束寫入操作。寫入n個字節的數據格式 ：
（3）讀出過程
單片機先發送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（“僞寫”），發送完後釋放SDA線並在SCL線上產生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址後，在SDA線上產生一個應答信號作爲相應。
然後，再發一個字節的要讀出器件的存儲區的首地址，收到應答後，單片機要重複一次起始信號併發出器件地址和讀方向位（“1”），收到器件應答後就可以讀出數據字節，每讀出一個字節，單片機都要回復應答信號。當最後一個字節數據讀完後，單片機應返回以“非應答”（高電平），併發出終止信號以結束讀出操作。
