同步时序和异步时序

同步时序

存储电路中所有触发器的时钟输入端都接同一个时钟脉冲源，因而所有触发器的状态的变化都与所加的时钟脉冲信号同步。存储电路中所有触发器的时钟使用统一的clk,状态变化发生在同一时刻。

同步时序就可以极大地降低单片机对硬件电路的依敕。

同步时序的好处就是，对时间要求不严格，对硬件电路不怎么依赖，在一些低端单片机没有硬件资源的情况下，也很容易使用软件的模拟时序，缺点就是多一根时钟线

同步逻辑电路的特点：

电路所有的触发器的输入输出都只与系统的时钟脉冲有关系

电路可以有多个时钟信号，但都与系统时钟有着因果关系

同步电路的状态会持续，直到下一个时钟脉冲信号到来才会改变状态

异步时序

电路没有统一的时钟，有些触发器的时钟输入端与时钟脉冲源相连，这有这些触发器的状态变化与时钟脉冲同步，而其他的触发器的状态变化不与时钟脉冲同步。没有统一的clk,触发器状态的变化有先有后。

异步时序的好处就是节省资源，缺点就是对时间要求严格，对硬件电路的依赖比较严重

异步逻辑电路的特点：

电路中没有统一的共同时钟

寄存器既有时钟脉冲驱动，也有不带时钟驱动；

I2C通信

I2C（Inter IC Bus）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

可以用来连接存储器（EEPROM、FLASH）、A/D、D/A转换器、LCD驱动器、传感器等等。

比如下图中的MPU6050模块、OLED模块、AT24C02存储器模块、DS3231实时时钟模块

两根通信线：SCL（Serial Clock）、SDA（Serial Data）I2C一共有只有两个总线： 一条是双向的串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。

SDA(Serial data)是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data 也就是用来传输数据的

SCL(Serial clock line)是时钟线，C代表Clock 也就是时钟 也就是控制数据发送的时序的

所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

同步，半双工

带数据应答

支持总线挂载多设备（一主多从、多主多从）

硬件电路

所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

上图是，I2C的一个典型电路模型，这是一个一主多从的模型，左边cpu就是单片机，作为总线的主机，主机的权力很大，任何时候都是主机完全掌控SCL线，另外在空闲状态，下主机可以主动发起对SDA的控制，只有在从机发送数据和从机应答的时候，主机才会转交SDA的控制权给从机，这是主机的权利。

主机拥有SCL的绝对控制权，所以主机的SCL可以配置成推挽输出，从机的SCL都配置成浮空输入或者上拉输入。数据流向是，主机发送，所有从机接收。

主机的SDA在发送的时候是输出，接收的时候是输入。从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换，如果总线时序没协调好，极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态，如果这时又正好是一个输出高电平，一个输出低电平，那这个状态就是电源短路，这个状态是要极力避免的。

所以为了避免总线没协调好导致电源短路这个问题。I2C的设计是，禁止所有设备输出强上拉的高电平，采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构（图中右上角）

SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

所有的设备，包括CPU和被控IC，它引脚的内部结构都是上图这样的，左边这一块是scl的结构，这里SCLK就是SCL的意思，右边这一块是SDA的结构，这里DATA IN就是SDA的意思

首先引脚的信号进来，都可以通过一个数据缓冲器或者施密特触发器，进行输入，因为输入对电路没有任何影响，所以任何设备在任何时刻都是可以输入的。

但是在输出的这部分，采用的是开漏输出的配置

正常的推挽输出是下图所示。

上面导通，输出高电平。

下面导通，输出低电平。

因为这是通过开关管直接接到正极和负极的，所以这个是，强上拉和强下拉的模式。

而开漏输出呢，就是去掉这个强上拉的开关管

输出低电平时，下管导通，是强下拉

输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空的状态，这就是开漏输出。

和图示里SCLKN1 OUT是一样的。

输出低电平，开关管导通，引脚直接接地，是强下拉。

输出高电平，开关管断开，引脚什么都不接，处于浮空状态，这样的话所有的设备都只能输出低电平，而不能输出高电平。

为了避免高电平造成的引脚浮空，这时就需要在总线外面，SCL和SDA各外置一个上拉电阻，这是通过一个电阻拉到高电平的，所以这是一个弱上拉。

为了防止多个外设存在SCL同时输出高电平和低电平状态，造成冲突。

规定，所有的外设，不准向SCL输出高电平，此时SCL是弱上拉，不影响数据传输。

第一完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全，所有设备无论怎么样，都不会处于一个被同时强拉和强推的状态。

第二避免了引脚模式的频繁切换，开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能，因为开漏模式下，输出高电平就相当于断开硬件，所以在输入之前可以直接输出高电平，不需要再切换成输入模式

第三这个模式会有个“线与”的现象，只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平 ，只有所有的设备都输出高电平，总线才处于高电平。，I2C可以利用这个电路特征，执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，所以这里SCL虽然在一主多重模式下可以用推挽输出，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式，因为在多主机模式下会利用到这个特征

I2C时序基本单元

起始条件

起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

空闲状态时，SCL和SDA都处于高电平状态，总线处于平静的高电平状态（状态1），当主机需要进行数据收发时，首先就要打破总线的宁静，产生一个起始条件，当从机捕获到这个SCL高电平，SDA下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤（状态2）。

然后在SDA下降沿之后，主机要再把SCL拉低电平（状态3），在拉低SCL电平，一方面是占用这个总线，另一方面也是为了方便我们这些基本单元的拼接，就是我们之后会保证除了起始和终止条件，每个时序单元的SCL都是以低电平开始，低电平结束。

终止条件

终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

SCL先放手回弹到高电平（状态1），SDA再放手回弹高电平，产生一个上升沿（状态2）。这个上升沿触发终止条件，同时终止条件之后，SCL和SDA都是高电平，回归到最初的平静状态（状态3）。

这个起始条件和终止条件，就类似串口时序里的起始位和停止，一个完整的数据帧总是以起始条件开始，终止条件结束，另外，起始和终止都是由主机产生的，从机不允许产生起始和终止，所以在总线空闲状态时，从机必须始终双手放开，不允许主动跳出来去碰这总线，如果允许的话，那就是多主机模型了，不在本节的讨论范围之内，这就是起始条件和终止条件。

在起始条件之后，这时就可以紧跟着一个发送一个字节的时序单元，如何发送一个字节呢？

发送一个字节

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

起始条件之后，第一个字节也必须是主机发送的，主机如何发送呢，就是最开始，SCL低电平，主机如果想发送0，就拉低SDA到低电平，如果想发送1就放手SDA回弹到高电平。在SCL低电平期间，允许改变SDA的电平（状态1）。

当这1位放好之后，主机就松手，时钟线SCL回弹到高电平。在高电平期间是从机读取SDA的时候，所以高电平期间SDA不允许变化。SCL处于高电平之后，从机需要尽快的读取SDA，一般都是在上升沿这个时刻，从机就已经读取完成了，因为始终是主机控制的从机，并不知道什么时候就会产生下降沿了，从机在上升沿时就会立刻把数据读走（状态2）。

那主机在放手SCL一段时间后，就可以继续拉低SCL，传输下一位。主机也需要在SCL下降沿之后，尽快把数据放在SDA上，但是主机有时钟的主导权，所以主机并不需要那么着急，只需要在低电平的任意时刻，把数据放在SDA上就行了，晚点也没关系，数据放完之后，主机再放手SCL，SCL高电平从机读取这一位（状态3），就这样的流程。

主机拉低SCL把数据放在SDA上；主机松开SCL，从机读取SDA的数据。在SCL的同步下，依次进行主机发送和从机接收，循环八次就发送了八位数据，也就是一个字节。

高位先行，所以第一位是一个字节的最高位b7，然后依次是次高位b6 等等，最后发送最低位b0 ，这个和串口是不一样的，串口时序是低位先行，这里I2C是高位先行。

另外由于这里有时钟线进行同步，所以如果主机一个字节发送一半，突然进中断了，不操作SCL和SDA了，那时序就会在中断的位置不断拉长，SCL和SDA电平都暂停变化，传输也完全暂停，等中断结束后，主机回来继续操作，传输仍然不会出问题，这就是同步时序的好处

就是说老师在上课的时候突然拉稀了，老师可以不管学生直接中断去厕所，上完厕所再回来接着上课。

最后就是，由于这整个时序是主机发送一个字节，所以在这个单元里，SCL和SDA全程都有主机掌控，从机只能被动读取。

接收一个字节

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

释放SDA其实就相当于切换成输入模式，或者这样来理解所有设备处于输入模式，当主机需要发送的时候，就可以主动去拉低SDA，而主机在被动接收的时候，就必须先释放SDA，不要去动它，以免影响别人发送来的数据。因为总线是线与的特征，任何一个设备拉低了总线就是低电平，如果接收的时候还拽着SDA不放手，那别人无论发什么数据，总线都始终是低电平，所以主机在接收之前需要释放SDA

从流程上来看，接收一个字节和发送一个字节，是非常相似的。

区别就是：

发送一个字节是低电平主机放数据，高电平从机读数据

接收一个字节是低电平从机放数据，高电平主机读数据

时序和发送的基本一样，区别就是SDA线。

主机在接收之前需要释放SDA，然后这时从机就取得了SDA的控制权，从机需要发送零就把SDA拉低，从机需要发送1就放手，SDA回弹高电平。

然后同样的低电平变换数据，高电平读取数据。（这里实线部分表示主机控制的电平啊，虚线部分表示从机控制的电平。）SCL全程由主机控制，SDA主机在接收前要释放，交由主机控制。

之后还是一样，因为SCL始终是由主机控制的，所以从机的数据变换基本上都是贴着SCL，下降也进行的，而主机可以在SCL高电平的任意时刻读取，这是接收一个字节的时序。

发送应答

主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

在接收一个字节之后，我们也要给从机发送一个应答位，发送应答位的目的是告诉从机，你是不是还要继续发，如果从机发送一个数据后，得到了主机的应答，那从机就还会继续发送，如果从机没得到主机的应答，那从机就会认为那我发生了一个数据，但是主机不理我，可能主机不想要了吧。这时从机就会释放SDA，交出SDA的控制权，防止干扰主机之后的操作，这就是应答位的执行逻辑。

接收应答

主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

当调用发送一个字节之后，就要紧跟着调用接收应答的时序，用来判断从机有没有收到刚才给打的数据，如果从机收到了，那在应答位这里，主机释放SDA的时候，从机就应该立刻把SDA拉下来，然后在SCL高电平期间，主机读取应答位，如果应答位为零，就说明从机确实收到了。

I2C数据帧

I2C是一主多从的模型，通过设备地址确定设备，主机可以访问总线上的任何一个设备，把每个从设备都确定一个唯一的设备地址，主机在起始条件之后，要先发送一个字节叫一下从机地址， 所有从机都会收到第一个字节，和自己的地址进行比较。如果一样，就说明，主机现在在请求和这个从机通信，就响应之后主机的读写操作。

从机设备地址，在12C协议标准里分为7位地址和10位地址。每个I2C设备出厂时，都会确定一个7位I2C地址，这个地址具体是什么，可以在芯片手册里找到，比如后面使用MPU6050这个芯片的7位地址是1101 000，AT24C02的7位地址1010 000。

相同的芯片挂载在同一条总线，需要用到地址中的可变部分，一般器件地址的最后几位是可以在电路中改变的，即使相同型号的芯片，挂载在同一个总线上，也可以通过切换地址低位的方式，保证每个设备的地址都不一样。

指定地址写

对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，写入指定数据（Data）

对于指定设备通从机地址（Slave Address ）确定。对指定设备的内部寄存器地址（Reg Address）写入数据。

起始条件（Start，S）

空闲状态，都是高电平，然后主机需要给从机写入数据的时候，首先SCL高电平期间，拉低SDA产生起始条件（Start，S）

发送一个字节（Send Byte）

在起始条件之后，紧跟着的时序，必须是发送一个字节（8位）的时序，字节的内容必须是从机地址加读写位（Slave Address + R / W），正好从机地址是七位，读写位是一位，加起来是一个字节（8位）

发送从机地址，就是确定通信的对象。发送读写位，就是确认接下来是要写入还是要读出。

具体发送的时候，在这里低电平期间SDA变换数据，高电平期间从机读取SDA，（这里使用绿色的线来标明了从机读到的数据），比如图中的波形，那从机收到的

第一位就是高电平1，然后SCL低电平，主机继续变换数据

第二位还是1，所以这里SDA电平并没有变化，然后SCL高电平，从机读到第二位是1。

之后继续按低电平变换数据，高电平读取数据

第三位就是0。

这样持续八次就发送了一个字节数据，其中这个数据的定义是，高七位表示从机地址。

这个波形下，主机寻找的从机地址就是1101000，这个就是MPU6050的地址，最低位表示读写位0，表示之后的时序，主机要进行写入操作。（1表示之后的时序主机要进行读出操作，0表示之后要进行写入操作）

目前主机是发送了一个字节，高位先行就是0xD0（1101 0000）

应答位

根据协议规定，紧跟着的单元就得是接收从机的应答位（RA：0），在这个时刻，主机要释放SDA，

如果单看主机的波，应该是这样，释放SDA之后引脚电平回弹到高电平。但是根据协议规定，从机要在这个位拉低SDA。

单看从机的波形，应该是如上图 。应该应答的时候，从机立刻拽住SDA，然后应答结束之后，从机再放开SDA。

现在综合两者的波形，结合线与的特性，在主机释放SDA之后，由于SDA也被从机拽住了，所以主机松手后，SDA并没有回弹，高电平这个过程就代表从机产生的应答，最终高电平期间主机读取SDA发现是0，就说明我进行寻址，有应答传输没问题。

如果主机读取SDA发现是1，就说明主机进行寻址，应答位期间，主机松手了，但是没回弹高电平，没有应答，那就直接产生停止条件吧，并提示一些信息

继续紧接着上升沿，就是应答位结束后，从机释放SDA产生的，从机交出了SDA的控制权，因为从机要在低电平尽快变换数据，所以这个上升沿和SCL的下降沿，几乎是同时发生的。

第二个字节

由于之前读写位给了0，所以应答结束后，要继续发送一个字节，同样的时序再来一遍，第二个字节就可以送到指定设备的内部来，从机设备可以自己定义，第二个字节和后续字节的用途，一般第二个字节可以是寄存器地址，或者是指令控制字等，比如mpu6050定义的第二个字节就是寄存器地址。比如AD转换器，第二个字节可能就是指令控制字。比如存储器，第二个字节可能就是存储器地址。

那图示，主机发送这样一个波，一一判定数据为0001 1001，即主机向从机发送的0x19 ，这个数据在MPU6050里，就表示，要操作你0x19地址下的寄存器，这同样是从机应答，主机释放SDA从机拉低SDA，SDA表现为低电平，主机收到应答位为0，表示收到了从机的应答，然后继续同样的流程，再来一遍，主机再发送一个字节，这个字节就是主机想要写入到，0x19地址下寄存器的内容了，比如这里发送了0xAA的波形，就表示我在0x19地址下写入0xAA，最后是接收应答位，如果主机不需要继续传输了，就可以产生停止条件(Stop，P)。

停止条件(P)

在停止条件之前先拉低SDA，为后续SDA的上升沿做准备。然后释放SCL，再释放SDA。这样就产生了，SCL高电平期间，SDA的上升沿，这样一个完整的数据帧就拼接完成了。

这个数据帧的目的，就是对于指定从机地址为1101 000的设备，在其内部0x19地址下的寄存器中，写入0xAA这个数据，这是指定地址写的时序

当前地址读

完成的任务是对于指定设备（Slave Address），在当前地址指针指示的地址下，读取从机数据（Data）

这就是当前地址读的时序，如果主机想要读取从机的数据，就可以执行这个时序

起始条件(S)

那最开始还是SCL高电平期间，拉低SDA产生起始条件，起始条件开始后。 ，主机必须首先调用发送一个字节，来进行从机的寻址和指定读写标志位。

比如图示的波形表示，本次寻址的目标是100 1000的设备，同时最后一位读写标志为1，表示主机接下来想要读取数据，紧跟着，发送一个字节之后，接收一下从机应答位，从机应答0，代表从机收到了第一个字节，在从机应答之后。

从这里开始数据的传输方向就要反过来了，因为刚才主机发出了读的命令，所以这之后主机就不能继续发送了，要把SDA的控制权交给从机，主机调用接收一个字节的时序进行接收操作，在这一块从机就得到了主机的允许，可以在SCL低电平之间写入SDA，然后主机在SCL高电平期间读取SDA，那最终主机在SCL高电平期间，一次读取八位，就接收到了从机发送的一个字节数据，00001111，也就是0x0f，

那现在问题就来了，这个0x0f是从机哪个寄存器的数据呢？

当前地址指针

在读的时序中，I2C协议的规定是，主机进行寻址时，一旦读写标志位给1，下一个字节就要立马转为读的时序，所以主机还来不及指定想要读哪个寄存器，就得开始接收了。所以这里就没有指定地址这个环节，那主机并没有指定寄存器的地址，从机到底该发哪个寄存器的数据，

这需要用到上面说的当前地址指针，在从机中，所有的寄存器被分配到了一个线性区域中，并且会有个单独的指针变量，指示着其中一个寄存器，这个指针上电默认，一般指向0地址。并且每写入一个字节和读出一个字节后，这个指针就会自动自增一次，移动到下一个位置，主机没有指定要读哪个地址，从机就会返回当前指针指向的寄存器的值。

那假设刚刚调用了这个指定地址写的时序，在0x19的位置写出了0xAA，那么指针就会+1，移动到0x1A的位置，返回的就是0x1A地址下的值。再调用这个当前地址读的时序，返回的就是0x1B地址下的值，以此类推，这就是当前地址读时序的操作逻辑。由于当前地址读并不能指定读的地址，所以这个时序用的不是很多。

指定地址读

这个时序的目的就是对于指定设备（Slave Address），在指定地址（Reg Address）下，读取从机数据（Data）

在指定地址写中，在这前面一部分就是指定地址的时序，把最后面的写数据的这一部分给去掉，然后把前面这一段设置地址，还没有指定写什么数据的时序，追加到这个当前地址读时序的前面，就得到了指定地址读的时序。一般也把它称作复合格式

将上面的时序分隔一下，分成两个部分

前面的部分是指定地址写，但是只指定了地址，还没来得及写。

后面的部分是当前地址读，因为刚指定的地址，两者加在一起就是指定地址读了。

所以指定地址读的时序会复杂一些，详细分析一下看看

第一部分寻找从机地址和从机寄存器地址

首先最开始仍然是启始条件，然后发送一个字节进行寻址，这里指定从机地址是100 1000，读写标志位是0，代表要进行写的操作，经过从机应答之后，再发送一个字节，第二个字节用来指定寄存器地址，这个数据就写入到了从机的地址指针里了，也就是说从机接收到这个数据之后，它的寄存器指针就指向了0x19。

第二部分切换读写方向，读取上一部分确认的寄存器

这个位置之后，我们要写入的数据，不给他发，而是直接再来个起始条件，这个Sr(Start Repeat)的意思就是重复起始条件，相当于另起一个时序。

因为指定读写标志位，只能是跟着起始条件的第一个字节，所以如果想切换读写方向，只能再来个起始条件。

然后起始条件后，重新寻址（100 1000），并且指定读写标志位1，代表要开始读了，接着主机接收一个字节。这个字节就是0x19 地址下的数据，这就是指定地址读。

也可以在蓝框再+1个停止条件，这样的话就是两个完整的时序了。

先起始(S)，写入地址(Send)，停止(P)。

因为写入的地址会存在地址指针里面，所以这个地址并不会因为时序的停止而消失。

再起始(Sr)，读当前位置(Receive)，停止(P)。

这样两条时序也可以完成任务，但是I2C协议官方规定的复合格式是一整个数据帧。即：先起始(S)再重复起始(Sr)，再停止(P)。相当于把两条时序拼接成一条。

这些就是3个I2C完整时序的介绍。，其中第一个指定地址写和第三个指定地址读用的比较多，除了这三个时区，I2C还有这些时序的进阶版本，大概介绍一下。

应答位(ACK)的作用

如果只想读一个字节就停止的话，在读完一个字节之后，一定要给从机发个非应答，(Send Ack，SA)。

非应答就是该主机应答的时候，主机不把SDA拉低，从机读到SDA为1，就代表主机没有应答，从机收到非应答之后，就知道主机不想要继续了，从机就会释放总线，把SDA的控制权交还给主机。

如果主机读完仍然给从机应答了，就会认为主机还想要数据，就会继续发送下一个数据，而这时，主机如果想产生停止条件，SDA可能就会因为被从机拽住了，而不能正常弹回高电平，这个注意一下

如果主机想连续读取多个字节，就需要在最后一个字节给非应答，而之前的所有字节都要给应答。

简单来说就是主机给应答了，从机就会继续发。主机给非应答了，从机就不会再发了，并交出SDA的控制权。

从机控制SDA发送一个字节的权利，开始于读写标志位为1，结束于主机给应答位为1，这是主机给从机发送应答位的作用

I2C时序的进阶版本

这些时序，指定地址写只是写一个字节，当前地址读和指定地址读，也都是读一个字节，那进阶版本就是指定地址写多个字节，当前地址读多个字节，指定地址读多个字节。

实际上和单个字节读写都非常相似，只需要增加一些小细节就行。

指定地址写多个字节

指定地址，然后写入一个字节，如果只想写一个字节，那就停止就行，如果想写多个字节，就可以把这最后一部分（Send Byte）多重复几次，比如重复三遍，发送一个字节和接受应答。这样第一个数据就写入到了指定地址0x19 的位置，然后不要忘了，写入一个数据后，地址指针会自动+1，变成0x1A，所以这第二个数据就写入到了，0x1A的位置。同理，第三个数据就写入的是0x1b的地址，以此类推，这样这个时序就进阶为在指定的位置开始，按顺序连续写入多个字节。

比如你需要连续写入多个寄存器，就可以考虑这样来操作，这样在一条数据帧里，就可以同时写入多个字节，执行效率就会比较高。

同理当前位置读和指定位置读，也可以多次执行这最后一部分时序，由于地址指针在读后也会自增，所以这样就可以连续读出一片区域的寄存器，效率也会非常高。

总结

以上就是I2C总线的硬件规定和软件规定，有了这些规定，就可以按照硬件规定来连接线路，用软件规定来操作总线，以此实现指定位置写寄存器和指定位置读寄存器，有了这两个功能，主机就可以完全掌控外挂模块的运行，也就实现了这个协议的目的。

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