一文讲清楚I2C协议的“三生三世”

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间）是由飞利浦（Philips）公司开发的一种同步串行通信协议，核心特点是双线制、多主多从、简单可靠、低速率，广泛应用于嵌入式系统中短距离设备间通信（如传感器、EEPROM、LCD 模块、RTC 时钟等）。

1、 通信协议

1.1通信介质

仅需 2 根线：SDA：串行数据线，SCL：串行时钟线

均为双向 I/O，输出为开漏输出，需外接上拉电阻，通常 4.7kΩ~10kΩ，电源电压 3.3V/5V 兼容。

1.2数据传输方式

分为：单工、半双工、全双工通信。I2C属于半双工通信。

1.3 同步异步通信

I2C输出同步通信方式。UART属于异步通信。

同步通信： 发送端在发送串行数据的同时，提供一个时钟信号，并按照一定的约定（例如：在时钟信号的上升沿的时候，将数据发送出去）发送数据，接收端根据发送端提供的时钟信号，以及大家的约定，接收数据。如：I2C、SPI等有时钟信号的协议，都属于这种通信方式。

异步通信： 接收方并不知道数据什么时候会到达，收发双方可以有各自自己的时钟。发送方发送的时间间隔可以不均，接收方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。这种传输通常是很小的分组，比如：一个字符为一组，数据组配备起始位和结束位。所以这种传输方式的效率是比较低的，因为额外加入了很多的辅助位作为负载，常用在低速的传输中。

1.4 数据传输过程

开始位：空闲状态下SDA和SCL为高电平。当主机开始传输数据时，执行下面动作：

• 将SDA线由高电平切换成低电平；

• 将SCL 线由高电平切换成低电平；

在 主设备发送 开始条件信号之后，所有从机即使处于睡眠模式也将变为活动状态，并等待接收地址位。

地址位：

地址支持7位地址和10位地址，常用的是7位地址的，10位地址的对应的从机数量可以达到1000多个，应用场景不多。

读写位：

由于I2C是半双工通讯，所以设备需要确定数据传输的方向，故引入了读写位。

• 如果主设备需要将数据发送到从设备，则该位设置为 0；

• 如果主设备需要往从设备接收数据，则将其设置为 1 ；

读写位由 主机发送 ；1表示读操作，0表示写操作。

应答位：

I2C最大的一个特点就是有完善的应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“我收到了”。

应答信号： 出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

非应答信号： 当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号。

非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：

• I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备；

• 从机正在执行一些操作，处于忙状态，还没有准备好与主机通讯；

• 主机发送的一些控制命令，从机不支持；

• 主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了；

数据位：

I2C数据总线传输要保证在SCL为高电平时，SDA数据稳定，所以SDA上数据变化只能在SCL为低电平时

一次传输的数据总共有8位，由发送方设置，它需要将数据位传输到接收方。发送之后会紧跟一个ACK / NACK位，如果接收器成功接收到数据，则从机发送ACK。否则，从机发送NACK。

数据可以重复发送多个，直到接收到停止位为止。

停止位：

当主设备决定结束通讯时，需要发送结束信号，需要执行以下动作：

• 先将SDA线从低电压电平切换到高电压电平；

这里是因为每一次传输都跟着一个应答信号ACK，ACK应答是SDA信号为低，所以结束时SDA信号总是为低电平。（如果收到了NACK信号，SDA为高，这时怎么处理？）（主机控制SDA信号由高变低，然后再由低变高，满足协议的需求）

2、I2C应用

I2C通信协议只规定了通信的规则，具体读写时序是由满足I2C时序的从机设备决定的，不同的从机设备读写控制时序是不同的。下面给个读写时序的示例，

2.1写时序：

向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：

主机先发从机编码，选定从机，然后发送从机的寄存器地址，最后发送要写入的数据。

2.2 读时序

从指定寄存器地址读取数据操作时序：