I2C(IIC)属于两线式串行总线，由飞利浦公司开发用于微控制器(MCU)和外围设备(从设备)进行通信的一种总线，属于一主多从(一个主设备(Master)，多个从设备(Slave))的总线结构，总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一I2C总线上的其他设备。

物理I2C接口有两根双向线，串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）组成，可用于发送和接收数据，但是通信都是由主设备发起，从设备被动响应，实现数据的传输。
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I2C主设备与从设备的一般通信过程

一. 主设备给从设备发送/写入数据：
1. 主设备发送起始（START）信号        
2. 主设备发送设备地址到从设备        
3. 等待从设备响应(ACK)        
4. 主设备发送数据到从设备，一般发送的每个字节数据后会跟着等待接收来自从设备的响应(ACK)      
5. 数据发送完毕，主设备发送停止(STOP)信号终止传输

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二. 主设备从从设备接收/读取数据

1. 设备发送起始（START）信号      
2. 主设备发送设备地址到从设备      
3. 等待从设备响应(ACK)      
4. 主设备接收来自从设备的数据，一般接收的每个字节数据后会跟着向从设备发送一个响应(ACK)      
5. 一般接收到最后一个数据后会发送一个无效响应(NACK)，然后主设备发送停止(STOP)信号终止传输        
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注：具体通信过程需视具体时序图而定


I2C通信的实现
一. 使用I2C控制器实现
        
就是使用芯片上的I2C外设，也就是硬件I2C，它有相应的I2C驱动电路，有专用的IIC引脚，效率更高，写代码会相对简单，只要调用I2C的控制函数即可，不需要用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现I2C协议，只需要将I2C协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是如果出现问题，就只能通过示波器看波形找问题。   
     
二. 使用GPIO通过软件模拟实现
        
软件模拟I2C比较重要，因为软件模拟的整个流程比较清晰，哪里出来bug，很快能找到问题，模拟一遍会对I2C通信协议更加熟悉。        

如果芯片上没有IIC控制器，或者控制接口不够用了，通过使用任意IO口去模拟实现IIC通信协议，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟IIC协议的时序，实现IIC的信号和数据传输，下面会讲到根据通信协议如何用软件去模拟。        

I2C通信协议

IIC总线协议无非就是几样东西：起始信号、停止信号、应答信号、以及数据有效性。

一. 空闲状态

时钟线（SCL）和数据线（SDA）接上拉电阻，默认高电平，表示总线是空闲状态。

二. 从设备地址

从设备地址用来区分总线上不同的从设备，一般发送从设备地址的时候会在最低位加上读/写信号，比如设备地址为0x50，0表示读，1表示写，则读数据就会发送0x50，写数据就会发送0x51。

三. 起始(START)信号

I2C通信的起始信号由主设备发起，SCL保持高电平，SDA由高电平跳变到低电平。
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  1. // 起始信号
  2. void IIC_start(void)
  3. {
  4.     // 1.首先把数据线设置为输出模式
  5.     // 总线空闲, SCL和SDA输出高
  6.     SCL = 1;  
  7.     SDA = 1;
  8.     delay_us(5);
  9.    
  10.     // SDA由高变低
  11.     SDA = 0;
  12.     delay_us(5);
  13.    
  14.     // 拉低SCL开始传输数据
  15.     SCL = 0;
  16. }
四. 停止(STOP)信号

I2C通信的停止信号由主设备终止，SCL保持高电平，SDA由低电平跳变到高电平。
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  1. // 停止信号
  2. void IIC_stop(void)
  3. {
  4.     // 1.首先把数据线设置为输出模式
  5.    
  6.     // 拉高时钟线
  7.     SDA = 0;
  8.     delay_us(5);
  9.     SCL = 1;
  10.     delay_us(5);
  11.    
  12.     // SDA由低变高
  13.     SDA = 1;
  14. }
五. 数据有效性

I2C总线进行数据传送时，在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位，时钟信号SCL为高电平期间，数据线SDA上的数据必须保持稳定，只有在时钟线SCL上的信号为低电平期间，数据线SDA上的高电平或低电平状态才允许变化，因为当SCL是高电平时，数据线SDA的变化被规定为控制命令（START或STOP，也就是前面的起始信号和停止信号）。
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六. 应答信号(ACK：有效应答，NACK：无效应答)

接收端收到有效数据后向对方响应的信号，发送端每发送一个字节(8位)数据，在第9个时钟周期释放数据线去接收对方的应答。
当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功；      
当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功。        

        发送数据需要等待接收方的应答：
  1. // 等待ACK   1-无效    0-有效
  2. u8 IIC_wait_ack(void)
  3. {
  4.     u8 ack = 0;
  5.    
  6.     // 数据线设置为输入
  7.    
  8.     // 拉高时钟线
  9.     SCL = 1;
  10.     delay_us(5);
  11.     // 获取数据线的电平
  12.     if(SDA)
  13.     {   // 无效应答
  14.         ack = 1;
  15.         IIC_stop();
  16.     }
  17.     else
  18.     {   // 有效应答
  19.         ack = 0;
  20.         // 拉低SCL开始传输数据
  21.         SCL = 0;
  22.         delay_us(5);
  23.     }
  24.    
  25.     return ack;
  26. }
接收数据需要向发送方发送应答：
  1. void IIC_ack(u8 ack)
  2. {
  3.     // 数据线设置为输出
  4.    
  5.     SCL = 0;
  6.     delay_us(5);
  7.    
  8.     if(ack)
  9.         SDA = 1; // 无效应答
  10.     else
  11.         SDA = 0; // 有效应答      
  12.     delay_us(5);
  13.     SCL = 1;
  14.     // 保持数据稳定
  15.     delay_us(5);
  16.     // 拉低SCL开始传输数据
  17.     SCL = 0;
  18. }


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