I2C总线详解

一、概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由飞利浦半导体（现恩智浦NXP）在1980年代开发的一种双向、二线制、同步串行通信总线。它设计初衷是提供一种简单、高效的方式，让主板、嵌入式系统或物联网设备上的微控制器（CPU）能够与周边设备芯片进行通信。由于其硬件连接简单，引脚占用少，在各类传感器、EEPROM、RTC（实时时钟）等设备中得到了广泛应用。

二、物理特性与硬件连接

1. 两线制：

   • SDA：串行数据线，用于双向数据传输。

   • SCL：串行时钟线，由主设备产生，用于同步数据位传输的节奏。

2. 线与特性：
   这是I2C总线能够实现多主多从通信的基石。

   

   • 硬件基础：SDA和SCL线都通过上拉电阻连接到正电源VCC。总线上的所有设备其I/O引脚都是开漏输出或集电极开路输出结构。

   • 工作原理：

     • 当任何一个设备的输出为低电平时，它会将总线通过MOS管或三极管下拉到低电平。由于“线与”逻辑，此时整个总线呈现为低电平。

     • 只有当所有设备都输出高电平（即释放总线，呈高阻态）时，上拉电阻才会将总线拉至高电平。

   • 核心优势：

     • 电平冲突检测：如果一台设备试图输出高电平，而另一台正在输出低电平，结果总线是低电平。这使主设备能够通过读取总线电平与自己输出的电平进行比较，从而判断是否发生了总线仲裁，这对于支持多主模式至关重要。

     • 无需担心电源时序：不同设备的逻辑电平可以不同，只要其开漏输出能够承受VCC电压即可。

3. 支持多设备连接：

   • 总线采用主从式通信架构。

   • 主设备：负责发起和终止一次数据传输，并产生时钟信号SCL。通常是微控制器、CPU或DSP。

   • 从设备：响应主设备的寻址和命令，被动地接收或发送数据。例如传感器、存储器等。

   • 总线上可以连接多个主设备（支持多主竞争仲裁）和多个从设备。

三、通信协议与寻址机制

1. 通信的发起与终止：

   • 起始条件（起始信号）：在SCL为高电平时，SDA线出现一个从高到低（下降沿）的跳变。这表示一次通信的开始，并唤醒所有从设备准备接收地址。

   • 停止条件（停止信号）：在SCL为高电平时，SDA线出现一个从低到高（上升沿）的跳变。这表示本次通信的结束，释放总线，总线恢复空闲状态（高电平）。

2. 设备寻址与数据流向：

   • 唯一地址：总线上每个从设备都必须有一个7位的唯一设备地址（部分I2C设备支持10位地址扩展）。

   • 地址帧结构：主设备发送起始条件后，紧接着发送的第一个字节就是地址字节。

     • 高7位：从设备地址。

     • 最低位：（之后的数据流向）读写控制位。

       • 0：表示主设备接下来要向从设备写入数据（主发从收）。

       • 1：表示主设备接下来要从从设备读取数据（从发主收）。

   • 举例：一个从设备地址为 0x48 (二进制 0100 1000)。

     • 主设备要写数据时，发送的地址字节为：0x48 << 1 | 0 = 0x90 (二进制 1001 0000)。

     • 主设备要读数据时，发送的地址字节为：0x48 << 1 | 1 = 0x91 (二进制 1001 0001)。

3. 应答机制：
   每个字节（包括地址字节和每一个数据字节）传输完成后，接收方必须发送一个应答位。

   • ACK：第9个时钟周期，SDA被拉低（低电平），表示接收成功。

   • NACK：第9个时钟周期，SDA保持高电平，表示：

     • 接收失败。

     • 主设备作为接收方时，发送NACK来告知从设备“这是最后一个字节，不要再发了”。

        3.数据传输规则：

                1.I2C 以字节（8 位）为单位传输数据，且高位（MSB）先传输。

                2.在传输过程中，在时钟线(SCL)为低电平时，只允许发送方改变数据线(SDA).接收方不得采样。

               3. 在传输过程中,在时钟线(SCL)为高电平时，只允许接收方采样数据线(SDA).发送方需要保持SDA的稳定

四、典型操作时序详解

1. 写操作时序

这种操作常用于向EEPROM等存储设备写入数据，或向配置寄存器写入命令。

• 步骤：

  1. 主机发送起始信号。

  2. 主机发送从机地址 + 写位（之后的数据流向，主发从收）。

  3. 从机回复ACK。

  4. 主机发送要写入的内存地址。

  5. 从机回复ACK。

  6. 主机开始逐字节发送一个或多个数据字节。每发送一个字节，从机回复一个ACK。

  7. 主机发送停止信号，结束本次通信。

• 时序图示意：

2. 读操作时序

读操作相对复杂，主设备需要先告诉从设备要读取哪个地址的数据。有两种常见方式，重点介绍效率更高的“复合格式”读操作。

• 高效读操作（复合格式）：

  1. 主机发送起始信号。

  2. 主机发送从机地址 + 写位（之后的数据流向，主发从收）。 //此次是为了告诉从设备要读取哪个地址的数据，一般被叫做“哑写”

  3. 从机回复ACK。

  4. 主机发送要读取的内存地址。 // 主机此时是在“写”地址指针

  5. 从机回复ACK。

  6. 主机不发送停止信号，而是再次发送一个起始信号。 // 关键步骤：重启

  7. 主机发送从机地址 + 读位（改变之后的数据流向，从发主收）。 

  8. 从机回复ACK。

  9. 从机开始逐字节发送一个或多个数据字节。每接收一个字节，主机回复一个ACK，但对于最后一个字节，主机必须回复NACK。

  10. 主机发送停止信号，结束通信。

• 关键点：

  • 为何高效：在一次通信过程中完成了“设置地址指针”和“读取数据”两个动作，无需两次完整的通信周期。

  • 最后一个字节的NACK：这是至关重要的。它向从设备表明主设备不再请求更多数据，从设备在收到NACK后会释放SDA线。如果不发送NACK，从设备可能会继续尝试发送下一个字节，导致通信时序错乱。

• 时序图示意：

  

五、总结

特性	描述
总线结构	二线制（SDA, SCL），开漏输出，需上拉电阻，具有“线与”特性。
通信模式	同步、串行、半双工、主从式。
寻址方式	7位或10位从设备地址，首个字节包含读写方向位。
关键信号	起始条件、停止条件、应答位、重复起始条件。
操作模式	支持标准模式、快速模式、高速模式等，速率从100kbps到5Mbps不等。
应用优势	硬件简单，引脚节省，支持多主多从，有成熟的软件库和硬件支持。