1. I2C 框架结构
1.1 I2C 硬件框架
I2C 总线拓扑图
⚫ 在一个芯片 (SoC) 内部，有一个或多个 I2C 控制器
⚫ 在一个 I2C 控制器上，可以连接一个或多个 I2C 设备
⚫ I2C 总线只需要 2 条线：时钟线 SCL 、数据线 SDA
⚫ 在 I2C 总线的 SCL 、 SDA 线上，都有上拉电阻
1.2 I2C 软件框架
以 I2C 接口的存储设备 AT24C02 为例：
⚫ APP ：
◼ 提出要求：把字符串 "www.100ask.net" 写入 AT24C02 地址 16 开始的地方
◼ 它是大爷，不关心底层实现的细节
◼ 它只需要调用设备驱动程序提供的接口
⚫ AT24C02 驱动：
◼ 它知道 AT24C02 要求的地址、数据格式
◼ 它知道发出什么信号才能让 AT24C02 执行擦除、烧写工作
◼ 它知道怎么判断数据是否烧写成功
◼ 它构造好一系列的数据，发给 I2C 控制器
⚫ I2C 控制器驱动
◼ 它根据 I2C 协议发出各类信号： I2C 设备地址、 I2C 存储地址、数据
◼ 它根据 I2C 协议判断
1.3 我们讲什么
1.3.1 对于 Linux I2C 结构
从上到下：
⚫ 先讲 I2C 协议
⚫ APP 可以通过两类驱动程序访问设备
◼ I2C 设备自己的驱动程序
◼ 内核自带的 i2c-dev.c 驱动程序，它是 i2c 控制器驱动程序暴露给用户空间的驱动程序(i2c-dev.c)
⚫ I2C Device Driver
◼ I2C 设备自己的驱动程序
◼ 内核自带的 i2c-dev.c 驱动程序，它是 i2c 控制器驱动程序暴露给用户空间的驱动程序(i2c-dev.c)
⚫ I2C Controller Driver
◼ 芯片 I2C 控制器的驱动程序 ( 称为 adapter)
◼ 使用 GPIO 模拟的 I2C 控制器驱动程序 (i2c-gpio.c)
1.3.2 对于单片机/裸机
从上到下：
⚫ 先讲 I2C 协议
⚫ APP
⚫ I2C Device Driver
⚫ I2C Controller Driver( 也被称为 adapter)
2 I2C 协议
2.1 硬件连接
I2C 在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线 SCL,SDA 线，在一条 I2C 总线上可以接很多 I2C 设备，我们还会放一个上拉电阻（放一个上拉电阻的原因以后我们再说）。
2.2 传输数据类比
怎么通过 I2C 传输数据，我们需要把数据从主设备发送到从设备上去，也需要把数据从从设备传送到主设备上去，数据涉及到双向传输。
举个例子：
体育老师：可以把球发给学生，也可以把球从学生中接过来。
⚫ 发球：
◼ 老师：开始了 (start)
◼ 老师： A ！我要发球给你！ ( 地址 / 方向 )
◼ 学生 A ：到！ ( 回应 )
◼ 老师把球发出去（传输）
◼ A 收到球之后，应该告诉老师一声（回应）
◼ 老师：结束（停止）
⚫ 接球：
◼ 老师：开始了 (start)
◼ 老师： B ！把球发给我！ ( 地址 / 方向 )
◼ 学生 B ：到！
◼ B 把球发给老师（传输）
◼ 老师收到球之后，给 B 说一声，表示收到球了（回应）
◼ 老师：结束（停止）
我们就使用这个简单的例子，来解释一下 IIC 的传输协议：
⚫ 老师说开始了，表示开始信号 (start)
⚫ 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向 (address/read/write)
⚫ 老师发球 / 接球，表示数据的传输
⚫ 收到球要回应：回应信号 (ACK)
⚫ 老师说结束，表示 IIC 传输结束 (P)
2.3 IIC 传输数据的格式
2.3.1 写操作
⚫ 主芯片要发出一个 start 信号
⚫ 然后发出一个设备地址 ( 用来确定是往哪一个芯片写数据 ) ，方向 ( 读 / 写， 0 表示写，1 表示读 )
⚫ 从设备回应 ( 用来确定这个设备是否存在 ) ，然后就可以传输数据
⚫ 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
⚫ 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成 ) ，然后再传输下一个数据。
⚫ 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。
⚫ 下图：白色背景表示 " 主 → 从 " ，灰色背景表示 " 从 → 主 "
2.3.2 读操作
流程如下：
⚫ 主芯片要发出一个 start 信号
⚫ 然后发出一个设备地址 ( 用来确定是往哪一个芯片写数据 ) ，方向 ( 读 / 写， 0 表示写，1 表示读 )
⚫ 从设备回应 ( 用来确定这个设备是否存在 ) ，然后就可以传输数据
⚫ 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
⚫ 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成 ) ，然后再传输下一个数据。
⚫ 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。
下图：白色背景表示 " 主 → 从 " ，灰色背景表示 " 从 → 主 "
3 I2C 信号
I2C 协议中数据传输的单位是字节，也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟：前面 8 个时钟用来传输 8 数据，第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB) 。
⚫ 开始信号（ S ）： SCL 为高电平时， SDA 由 高电平向低电平跳变，开始传送数据。
⚫ 结束信号（ P ）： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
⚫ 响应信号 (ACK) ：接收器在接收到 8 位数据后，在第 9 个时钟周期，（从设备）拉低 SDA
⚫ SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定， SDA 上的数据只能在SCL 为低电平期间变化
I2C 协议信号如下（前半部分数据是发送地址位和方向，后半部分是数据，发送原理一样）：
在 SCL 为高电平时，SDA 拉高，读取到 1；在SCL为高电平时，SDA拉低，读取到0。
4 协议细节
⚫ 如何在 SDA 上实现双向传输？
◼ 主芯片通过一根 SDA 线既可以把数据发给从设备，也可以从 SDA 上读取数据，连接 SDA 线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚 / 接受引脚）。
⚫ 主、从设备都可以通过 SDA 发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？在 9 个时钟里：
◼ 前 8 个时钟由主设备发送数据的话，第 9 个时钟就由从设备发送数据；
◼ 前 8 个时钟由从设备发送数据的话，第 9 个时钟就由主设备发送数据。
⚫ 双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响 SDA 上的数据？
◼ 设备的 SDA 中有一个三极管，使用开极 / 开漏电路 ( 三极管是开极， CMOS 管是开漏，作用一样) ，如下图：
