<学习笔记>花点时间让你彻底搞懂I2C总线
前言
经常在论坛上看到有网友在咨询I2C的问题，这里就I2C总线做一个给比较全面的总结，感兴趣的网友可以耐心的看下去，相信对你会有帮助。
【1. 基础知识】
1.1. 关于口线电平
在I2C总线中有2个口线，SDA和SCL。这两个口线对为OC输出。什么是OC呢？相对OC还有什么输出呢?
OC就是开漏输出(Open Collector)的简称，有时候也叫OD输出（Open-Drain），OD是对mos管而言，OC是对双极型管而言，在用法上没啥区别。
相对于OC输出，另一种输出叫推挽输出(Push-Pull)，一般的MCU管脚输出可以设置这两种模式。这里分别介绍下这两种输出的不同点。
推挽输出:可以输出高、低电平连接数字器件，推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止.
开漏输出: 输出端相当于三极管的集电极未接任何电平，要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。
对于MCU的开发者来讲，简单的这样理解就可以了。如果管脚设置成推挽输出模式，输出高时，IO口相当于VCC, 输出低时IO口相当于接地。如果管脚设置成开漏输出模式，输出高时，IO口的电平会和与其相连的口线进行与操作，如果都为高，才会被上拉拉成高电平，输出为低时，也相当于接地。
I2C总线要实现线与的功能，所以SDA和SCL口线都必须设置为开漏输出模式。我们使用MCU的硬件I2C接口时，口线会被自动设置成开漏。但有时候我们会使用IO口来模拟I2C 总线，这个时候我们如何设置口线呢?
这里要分两种情况，如果MCU的口线支持开漏输出模式，则可以直接把SDA和SCL 设置成开漏输出。例如Silicon 的C8051系列MCU，它的口线就支持开漏和推挽输出。如果MCU不支持开漏输出那怎么办呢？例如MSP430。在网上我们看到很多的例程代码都是直接设置IO口的高低电平，这样做其实是不太合理的。因为我们只满足了I2C总线在自己这端的时序要求。而没有考虑到连接在总线上的其他器件。如果总线上其他器件的电平和MCU输出的电平一致，这样做是没问题的，如果两边的电平不一致时，这样做就有一定风险造成IO 的损坏。当你输出高时，相当于IO口连接到VCC，如果对方这是恰好输出的是低电平，那就相当于短路了。当然如果软件做的合理，是可以避免这样的事情的，但总线上的很多器件都不是由你能控制的，如何设计出更合理的软件来避免这样的问题发生呢？
对于不支持开漏输出MCU，我们最合理的做法是，当设置口线电平为高时，我们把口线设置成输入状态，然后利用口线上的上拉电阻来把口线拉高。这样即使是两边电平不一致时，也不会造成IO口的损坏。
1.2. 关于总线口线
大家都知道I2C是由SDA、SCL两个口线组成的。这两个口线的高低电平组合、上升下降边沿组合就形成了总线的各种时序。这里我们先做一个枚举，看下两个口线能组合出什么样的时序出来。
上表中灰色部分不是I2C总线关心的，9,10分别被定义为I2C的START和STOP信号。
I2C数据总线SDA是在时钟为高时有效，在时钟SCL为高期间，SDA如果发生了电平变化就会终止或重启I2C中线，所以我们在数据传输过程中，要在SCL为低的时候去更改SDA 的电平。
1.3. 关于I2C总线的时序
在上一节中我讲到了由SDA和SCL能形成的各种电平组合，那么这些组合如何在I2C 总线上得到应用的呢?
在这一节，我们一步一步的来分析I2C总线的逻辑时序。首先是I2C的START信号。
START信号是在SCL位高电平时，SDA从高电平变成低电平。
大家想一下为什么是这样设计呢？
这个和I2C的多主性能有一定关系。因为I2C的总线是开漏输出的，总线上接上上拉电阻后，SCL和SDA就变成了高电平，这个时候挂接在总线上的任意一个I2C主机口可以把SDA拉低，即产生了一个START信号，挂接在总线上的其他I2C主机检测到这个信号后就不能去操作I2C总线了，否则会发生冲突。直到检测到一个STOP信号为止。
STOP的信号是在SCL口线为高时，SDA产生一个上升沿。STOP信号之后，I2C总线恢复到初始状态
那么这两个时序如何在在我们软件中实现呢? 这里我以MSP430为例，探讨下如何合理的实现这样的代码. 首先，我们需要把SDA和SCL的口线都设置成输入模式（前面讲了为什么），当口线设置成输入模式时，PXOUT寄存器的值是用来设置口线是上拉还是下拉，PXOUT 需要设置成上拉。（想一下为什么?）因为如果你设置成下拉的话，一般I2C的总线会接2个上拉电阻，就相当于总线上是图1的等效电路。
当我们设置为口线为输入时，口线的高电平就不会是VCC，而是一个分压后的电平。