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I2C总线的通信过程(见图4-8)主要包含三个主要阶段：起始阶段、数据传输阶段和终止阶段。
1. 起始阶段
在I2C总线不工作的情况下，SDA(数据线)和SCL(时钟线)上的信号均为高电平。如果此时主机需要发起新的通信请求，那么需要首先通过SDA和SCL发出起始标志。当SCL为高电平时，SDA电平从高变低，这一变化表示完成了通信的起始条件。
在起始条件和数据通信之间，通常会有延时要求，具体的指标会在设备厂商的规格说明书中给出。
2. 数据传输阶段
I2C总线的数据通信是以字节(8位)作为基本单位在SDA上进行串行传输的。一个字节的传输需要9个时钟周期。其中，字节中每一位的传输都需要一个时钟周期，当新的SCL到来时，SCL为低电平，此时数据发送方根据当前传输的数据位控制SDA的电平信号。如果传输的数据位为"1"，就将SDA电平拉高；如果传输的数据位为"0"，就将SDA的电平拉低。当SDA上的数据准备好之后，SCL由低变高，此时数据接收方将会在下一次SCL信号变低之前完成数据的接收。当8位数据发送完成后，数据接收方需要一个时钟周期以使用SDA发送ACK信号，表明数据是否接收成功。当ACK信号为"0"时，说明接收成功；为"1"时，说明接收失败。每个字节的传输都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。
I2C总线协议中规定，数据通信的第一个字节必须由主机发出，内容为此次通信的目标设备地址和数据通信的方向(读/写)。在这个字节中，第1～7位为目标设备地址，第0位为通信方向，当第0位为"1"时表示读，即后续的数据由目标设备发出主机进行接收；当第0位为"0"时表示写，即后续的数据由主机发出目标设备进行接收。在数据通信过程中，总是由数据接收方发出ACK信号。
3. 终止阶段
当主机完成数据通信，并终止本次传输时会发出终止信号。当SCL 是高电平时，SDA电平由低变高，这个变化意味着传输终止。
下面给出了模拟I2C总线进行读写的伪代码，用以说明如何使用GPIO实现I2C通信：
#define SDA 254 //定义SDA所对应的GPIO接口编号
#define SCL 255 //定义SCL所对应的GPIO接口编号
#define OUTP 1 //表示GPIO接口方向为输出
#define INP 0 //表示GPIO接口方向为输入
/* I2C起始条件 */
int i2c_start()
{
//初始化GPIO口
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
set_gpio_direction (SCL, OUTP); //设置SCL方向为输出
set_gpio_value(SDA, 1); //设置SDA为高电平
set_gpio_value(SCL, 1); //设置SCL为高电平
delay(); //延时
//起始条件
set_gpio_value(SDA, 0); //SCL为高电平时，SDA由高变低
delay();
}
/* I2C终止条件 */
void i2c_stop()
{
set_gpio_value(SCL, 1);
set_gpio_direction(SDA, OUTP);
set_gpio_value(SDA, 0);
delay();
set_gpio_value(SDA, 1); //SCL高电平时，SDA由低变高
}
/*
I2C读取ACK信号(写数据时使用)
返回值 ：0表示ACK信号有效；非0表示ACK信号无效
*/
unsigned char i2c_read_ack()
{
unsigned char r;
set_gpio_direction(SDA, INP); //设置SDA方向为输入
set_gpio_value(SCL,0); // SCL变低
r = get_gpio_value(SDA); //读取ACK信号
delay();
set_gpio_value(SCL,1); // SCL变高
delay();
return r;
}
/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */
int i2c_send_ack()
{
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
set_gpio_value(SCL,0); // SCL变低
set_gpio_value(SDA, 0); //发出ACK信号
delay();
set_gpio_value(SCL,1); // SCL变高
delay();
}
/* I2C字节写 */
void i2c_write_byte(unsigned char b)
{
int i;
set_gpio_direction(SDA, OUTP); //设置SDA方向为输出
for (i=7; i>=0; i--) {
set_gpio_value(SCL, 0); // SCL变低
delay();
set_gpio_value(SDA, b & (1<<i)); //从高位到低位依次准备数据进行发送
set_gpio_value(SCL, 1); // SCL变高
delay();
}
i2c_read_ack(); //检查目标设备的ACK信号
}
/* I2C字节读 */
unsigned char i2c_read_byte()
{
int i;
unsigned char r = 0;
set_gpio_direction(SDA, INP); //设置SDA方向为输入
for (i=7; i>=0; i--) {
set_gpio_value(SCL, 0); // SCL变低
delay();
r = (r <<1) | get_gpio_value(SDA); //从高位到低位依次准备数据进行读取
set_gpio_value(SCL, 1); // SCL变高
delay();
}
i2c_send_ack(); //向目标设备发送ACK信号
return r;
}
/*
I2C读操作
addr：目标设备地址
buf：读缓冲区
len：读入字节的长度
*/
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
int i;
unsigned char t;
i2c_start(); //起始条件，开始数据通信
//发送地址和数据读写方向
t = (addr << 1) | 1; //低位为1，表示读数据
i2c_write_byte(t);
//读入数据
for (i=0; i<len; i++)
buf[i] = i2c_read_byte();
i2c_stop(); //终止条件，结束数据通信
}
/*
I2C写操作
addr：目标设备地址
buf：写缓冲区
len：写入字节的长度
*/
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)
{
int i;
unsigned char t;
i2c_start(); //起始条件，开始数据通信
//发送地址和数据读写方向
t = (addr << 1) | 0; //低位为0，表示写数据
i2c_write_byte(t);
//写入数据
for (i=0; i<len; i++)
i2c_write_byte(buf[i]);
i2c_stop(); //终止条件，结束数据通信
}