前边学习了一种通信协议叫做UART异步串行通信，本章要学习第二种常用的通信协议I2C（重大且常用）。I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，多用于连接微处理器及其外围芯片。I2C总线的主要特点是接口方式简单，两条线可以挂多个参与通信的器件，即多机模式，而且任何一个器件都可以作为主机，当然同一时刻只能有一个主机。

从原理上来讲，UART属于异步通信，列如电脑发送给单片机，电脑只负责把数据通过TXD发送出来即可，接收数据是单片机自己的事情。而I2C属于同步通信，SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线负责传输数据。I2C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。

从应用上来讲，UART通信多用于板间通信，列如单片机和电脑，这个设备和另外一个设备之间的通信。而I2C多用于板内通信，列如单片机和本章要学的EEPROM之间的通信。

12.1 I2C时序初步认识

在硬件上，I2C总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成，连接到总线上的所有器件的SCL都连到一起，所有SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构，因此外部要添加上拉电阻。开漏电路外部加上拉电阻，就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系就是说，所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平，而任何一个器件输出一个低电平，那这条线就会保持低电平，因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平，也就是任何一个器件都可以作为主机，如图12-1所示，添加了R63和R64两个上拉电阻。

图12-1 I2C总线的上拉电阻

虽然说任何一个设备都可以作为主机，但绝大多数情况下都是用单片机来做主机，而总线上挂的多个器件，每一个都像电话机一样有自己唯一的地址，在信息传输的过程中，通过这唯一的地址就可以正常识别到属于自己的信息。

学习UART串行通信的时候，知道了通信流程分为起始位、数据位、停止位这三部分，同理在I2C中也有起始信号、数据传输和停止信号，如图12-2所示。

图12-2 I2C时序流程图

从图上可以看出来，I2C和UART时序流程有类似性，也有必定的区别。UART每个字节，都有一位起始位、8位数据位、1位停止位。而I2C分为起始信号、数据传输部分、停止信号。其中数据传输部分，可以一次传输许多个字节，字节数是不受限制的，而每个字节的数据最后额外跟了一位，这一位叫做应答位，一般用ACK表明，类似于UART的停止位。

下面通过和UART通信做比较的方式把I2C通信时序进行剖析。第一要理解，UART通信虽然用了TXD和RXD两根线，但是实际一次通信中，1条线就可以完成，2条线是把发送和接收分开而已。而I2C每次通信，不管是发送还是接收，必须2条线都参与工作才能完成，为了更方便的看出来每一位的传输流程，把图12-2改善成图12-3。

图12-3 I2C通信流程解析

（1）起始信号：UART通信是从一直持续的高电平出现一个低电平标志起始位；而I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿，表明起始信号，如图12-3中的Start部分所示。

（2）数据传输：第一，UART是低位在前，高位在后；而I2C通信是高位在前，低位在后。其次，UART通信数据位是固定长度，波特率分之一，一位一位固定时间发送完毕就可以了。而I2C没有固定波特率，但是有时序的要求，要求当SCL在低电平的时候，SDA允许变化，也就是说，发送方必须先保持SCL是低电平，才可以改变数据线SDA，输出要发送的当前数据的一位；而当SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，由于这个时候，接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1，要保证SDA的稳定，如图12-3中的每一位数据的变化，都是在SCL的低电平位置。8位数据位后边跟着的是一位应答位，应答位后边还要具体介绍。

（3）停止信号：UART通信的停止位是一位固定的高电平信号；而I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿，表明结束信号，如图12-3中的Stop部分所示。

12.2 I2C寻址模式

上一节介绍的是I2C每一位信号的时序流程，而I2C通信在字节级的传输中，也有固定的时序要求。I2C通信的起始信号(Start)后，第一要发送一个从机的地址，这个地址一共有7位，紧跟着的第8位是数据方向位(R/W)，“0”表明接下来要发送数据（写），‘“1”表明接下来是请求数据（读）。

打电话的时候，当拨通电话，接听方捡起电话肯定要回一个“喂”，这就是告知拨电话的人，这边有人了。同理，这个第九位ACK实际上起到的就是这样一个作用。当发送完了这7位地址和1位方向后，如果发送的这个地址的确 存在，那么这个地址的器件应该回应一个ACK（拉低SDA即输出“0”），如果不存在，就没“人”回应NACK（SDA将保持高电平即“1”）。

写一个简单的程序，访问一下Kingst51开发板上的EEPROM的地址，另外再写一个不存在的地址，看看它们是否能回一个ACK，来了解和确认一下这个问题。

Kingst51开发板上的EEPROM器件型号是24C02，在24C02的数据手册3.6节中可查到，24C02的7位地址中，其中高4位是0b1010，低3位的地址取决于具体电路的设计,由芯片的A2、A1、A0这3个引脚的实际电平决定，来看一下电路图，如图12-4所示。

图12-4 24C02原理图

从图12-4可以看出，A2、A1、A0都是接的GND，也就是说都是0，因此24C02的7位地址实际上是二进制的0b1010000，也就是0x50。用I2C的协议来寻址0x50，另外再寻址一个不存在的地址0x62，寻址完毕后，通过逻辑分析仪观察一下两个地址是否回复ACK。

/*****************************main.c文件程序源代码******************************/

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

#define I2CDelay() {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}

sbit I2C_SCL = P3^7;

sbit I2C_SDA = P3^6;

bit I2CAddressing(unsigned char addr);

void main()

{

I2CAddressing(0x50); //查询地址为0x50的器件

I2CAddressing(0x62); //查询地址为0x62的器件

while (1);

}

/* 产生总线起始信号 */

void I2CStart()

{

I2C_SDA = 1; //第一确保SDA、SCL都是高电平

I2C_SCL = 1;

I2CDelay();

I2C_SDA = 0; //先拉低SDA

I2CDelay();

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL

}

/* 产生总线停止信号 */

void I2CStop()

{

I2C_SCL = 0; //第一确保SDA、SCL都是低电平

I2C_SDA = 0;

I2CDelay();

I2C_SCL = 1; //先拉高SCL

I2CDelay();

I2C_SDA = 1; //再拉高SDA

I2CDelay();

}

/* I2C总线写操作，dat-待写入字节，返回值-从机应答位的值 */

bit I2CWrite(unsigned char dat)

{

bit ack; //用于暂存应答位的值

unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量

for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行

{

if ((mask&dat) == 0) //该位的值输出到SDA上

I2C_SDA = 0;

else

I2C_SDA = 1;

I2CDelay();

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay();

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，完成一个位周期

}

I2C_SDA = 1; //8位数据发送完后，主机释放SDA，以检测从机应答

I2CDelay();

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

ack = I2C_SDA; //读取此时的SDA值，即为从机的应答值

I2CDelay();

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线

return ack; //返回从机应答值

}

/* I2C寻址函数，即检查地址为addr的器件是否存在，返回值-从器件应答值 */

bit I2CAddressing(unsigned char addr)

{

bit ack;

I2CStart(); //产生起始位，即启动一次总线操作

ack = I2CWrite(addr<<1); //器件地址需左移一位，因寻址命令的最低位

//为读写位，用于表明之后的操作是读或写

I2CStop(); //不需进行后续读写，而直接停止本次总线操作

return ack;

}

前面的章节中已经提到利用库函数_nop_()可以进行准确延时，一个_nop_()的时间就是一个机器周期，这个库函数包含在intrins.h这个文件中，如果要使用这个库函数，只需要在程序最开始，和包含reg52.h一样，include<intrins.h>之后，程序中就可以使用这个库函数了。

还有一点要提一下，I2C通信分为低速模式100kbit/s、快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。由于所有的I2C器件都支持低速，但却未必支持另外两种速度，所以作为通用的I2C程序选择100k这个速率，也就是说实际程序产生的时序必须小于等于100k的时序参数，很明显也就是要求SCL的高低电平持续时间都不短于5us，因此在时序函数中通过插入I2CDelay()这个总线延时函数（它实际上就是4个NOP指令，用define在文件开头做了定义），加上改变SCL值语句本身占用的至少一个周期，来达到这个速度限制。如果后来需要提高速度，那么只需要减小这里的总线延时时间即可。

此外学习一个发送数据的技巧，就是I2C通信时如何将一个字节的数据发送出去。注意函数I2CWrite中，用的for循环的技巧。for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1)，由于I2C通信是从高位开始发送数据，所以先从最高位开始，0x80和dat进行按位与运算，从而得知dat第7位是0还是1，然后右移一位，也就是变成了用0x40和dat按位与运算，得到第6位是0还是1，一直到第0位结束，最终通过if语句，把dat的8位数据依次发送了出去。

使用Kingst LA5016逻辑分析仪将抓到的波形显示出来，并且用过I2C的协议解码器将协议解析出来，如图12-5所示。从图上可以看出，第一个字节发的是0x50，回复了一个ACK；第二个字节发了一个0x62，但是出现的是NAK，说明这个地址没有产生应答。

图12-5 逻辑分析仪抓取I2C地址

在逻辑分析仪的I2C协议设置中，有三种地址格式显示方式，也就是目前市面上各种资料对I2C协议地址定义的方式。如图12-6所示。

图12-6 I2C地址显示格式

前边讲I2C发送的第一个字节是7位地址加一位读写位，但是有些资料直接将读写位归结到I2C的地址，也有的资料将7位地址位认为是高7位，以开发板的0x50地址和0x62地址为例，即地址二进制0b1010 000，写的时候是0b1010 0000；读的时候是0b1010 0001。

方式1：8-bit，包含读/写位，0x50地址对应这种方式写地址为0xA0;读地址为0xA1。

方式2：8-bit，读/写位显示为0，即写地址和读地址都是0xA0。

方式3：7-bit，本教材采用的方式，写地址和读地址都是0x50。