嵌入式笔记系列——IIC
二、I²C（Inter-Integrated Circuit）
I²C 是一种同步、串行、半双工通信协议，由 Philips（现为 NXP）提出，广泛应用于芯片间短距离通信，如 MCU 与传感器、EEPROM、RTC、显示屏等模块的连接。
1. 物理连接
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仅需两根线：
- SCL（Serial Clock）：时钟线，由主设备控制
- SDA（Serial Data）：数据线，双向传输
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开漏输出结构：
- 必须外接上拉电阻（常见：4.7kΩ，取决于总线电容和速率）
- 支持“线与”逻辑，便于多主仲裁
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多主多从架构：
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支持多个主设备（需仲裁机制）
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每个从设备有唯一 7 位地址（也有 10 位扩展地址）
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IIC的高阻态：
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高阻态的作用 ：当设备处于高阻态时，它对总线的影响就像一个高电阻，几乎不从总线汲取电流，也不会向总线输出电流。这种状态允许其他设备独占总线进行通信，是总线能够实现多主多从、分时通信的关键所在。
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高阻态的实现 ：I²C 总线的 SDA 和 SCL 引脚一般采用开漏输出结构，在这种结构下，输出端可以通过晶体管的导通将总线拉低至低电平（逻辑 0），但无法直接将总线拉高至高电平（逻辑 1）。总线的高电平由外部的上拉电阻实现。当设备不进行数据发送或接收操作时，它会释放总线，使其处于高阻态，以便其他设备可以使用总线进行通信。
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2. 数据帧格式（Frame Structure）
| 字段 | 位数 | 电平 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 起始位 | 1 bit | SDA↓SCL↑ | 表示通信开始 |
| 地址位 | 7 bits | 0/1 | 从机地址 |
| 读写位 | 1 bit | 0/1 | 0：写，1：读 |
| ACK | 1 bit | 0/1 | 接收方拉低表示应答 |
| 数据位 | 8 bits | 0/1 | 实际传输数据（高位在前） |
| 停止位 | 1 bit | SDA↑SCL↑ | 表示通信结束 |
典型写操作帧结构：
[S] [7位地址+W] [ACK] [数据1] [ACK] [数据2] [ACK] ... [P]
典型读操作帧结构：
[S] [7位地址+W] [ACK] [寄存器地址] [ACK]
[Sr] [7位地址+R] [ACK] [数据1] [ACK] [数据2] [NACK] [P]
3. 时序与速率
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同步通信：由主设备提供时钟（SCL），数据在 SCL 高电平时必须稳定，低电平时可变化
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速率等级：
模式 速率 备注 标准模式 100 kbps 最常见 快速模式 400 kbps 支持更大总线电容 高速模式 3.4 Mbps 需特殊驱动 超高速模式 5 Mbps 单向传输，非标准
4. 配置参数（通信前必须约定）
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 从机地址 | 7 位或 10 位，必须唯一 |
| 速率 | 标准/快速/高速，主从必须一致 |
| 上拉电阻 | 通常 2.2kΩ~4.7kΩ，取决于总线长度 |
| 总线电容 | 最大 400pF（标准模式） |
5. 通信流程（以读取传感器为例）
✅ 写一个字节：
- 主机发送 起始条件
- 发送 从机地址 + 写位
- 从机 ACK
- 发送 寄存器地址
- 从机 ACK
- 发送 数据字节
- 从机 ACK
- 主机发送 停止条件
✅ 读一个字节：
- 主机发送 起始条件
- 发送 从机地址 + 写位
- 从机 ACK
- 发送 寄存器地址
- 从机 ACK
- 重复起始条件（Sr）
- 发送 从机地址 + 读位
- 从机 ACK
- 从机发送 数据字节
- 主机发送 NACK（表示不继续读）
- 主机发送 停止条件
6. 优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 接线简单，仅两根线 | 速率不如 SPI 高 |
| 支持多主多从，组网灵活 | 总线电容限制距离（<1米高速，<10米低速） |
| 硬件实现简单，成本低 | 需处理地址冲突、仲裁、挂死等问题 |
| 有 ACK 机制，可靠性高 | 半双工，不能同时收发 |
7. 实际应用示例
- MCU ↔ 温度传感器（如 TMP102、LM75）
- MCU ↔ EEPROM（如 AT24C02）
- MCU ↔ OLED 屏（SSD1306）
- MCU ↔ RTC 时钟模块（如 DS3231）
8. 调试技巧（实战）
| 问题现象 | 可能原因 | 排查方法 |
|---|---|---|
| 无 ACK 响应 | 地址错误、从机未上电、总线挂死 | 用逻辑分析仪查看地址是否正确 |
| 总线挂死 | 从机拉低 SDA 未释放 | 主机发送 9 个时钟脉冲释放总线 |
| 数据错乱 | 上拉电阻太小、总线电容过大 | 减小速率、缩短总线、更换电阻 |
| 读写失败 | 寄存器地址格式错误 | 查阅 datasheet，确认是否为 8 位地址 |
9. 与 SPI、UART 对比（面试常问）
| 特性 | I²C | SPI | UART |
|---|---|---|---|
| 线数 | 2 根（SCL+SDA） | 4 根（MOSI+MISO+SCK+CS） | 2 根（TX+RX） |
| 通信方式 | 半双工 | 全双工 | 全双工 |
| 速率 | 最高 3.4 Mbps | 可达 50 Mbps+ | 常见 115200 bps |
| 寻址方式 | 地址位寻址 | 片选引脚（CS） | 无寻址，点对点 |
| 多设备 | 支持多主多从 | 一主多从 | 点对点 |
| 复杂度 | 中等（需处理仲裁） | 简单（硬件控制） | 简单 |
10. 小结（一句话记忆）
I²C 是一种双线、同步、半双工的串行总线协议，支持多主多从，通过地址寻址和 ACK 机制实现可靠通信，广泛应用于芯片间短距离通信。