I2C通信是內(nèi)部集成電路的簡(jiǎn)稱，它是飛利浦半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議，用于在中央處理器和同一電路板上的多個(gè)IC之間僅使用兩條公共電線傳輸數(shù)據(jù)。

由于其簡(jiǎn)單性，它被廣泛用于微控制器和傳感器陣列、顯示器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、EEPROM等之間的通信。

這是一種同步串行通信協(xié)議。這意味著數(shù)據(jù)位以參考時(shí)鐘線設(shè)置的規(guī)則時(shí)間間隔一個(gè)一個(gè)地傳輸。

一、I2C的特征

以下是I2C通信協(xié)議的一些重要特性：

（1）只需要兩條公共總線（線）即可控制I2C網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備/IC；

（2）無(wú)需像UART通信那樣事先約定數(shù)據(jù)傳輸速率。因此可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速度；

（3）用于驗(yàn)證傳輸數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單機(jī)制；

（4）使用7位尋址系統(tǒng)來(lái)定位I2C總線上的特定設(shè)備/IC；

（5）I2C網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)展，新設(shè)備可以簡(jiǎn)單地連接到兩條公共I2C總線上。

二、I2C的硬件

1、物理I2C總線

I2C總線（接口線）僅由兩條線組成，稱為串行時(shí)鐘線（SCL）和串行數(shù)據(jù)線（SDA）。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)SDA線發(fā)送，并與來(lái)自SCL的時(shí)鐘信號(hào)同步。I2C網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備/IC都連接到相同的SCL和SDA線，如下所示：

兩條I2C總線（SDA、SCL）都用作開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)器。這意味著I2C網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備/IC都可以將SDA和SCL驅(qū)動(dòng)為低電平，但不能將它們驅(qū)動(dòng)為高電平。因此，每條總線都使用一個(gè)上拉電阻，默認(rèn)情況下將它們保持在高電平（正電壓）。

使用開(kāi)漏系統(tǒng)的原因是沒(méi)有短路的可能性，當(dāng)一個(gè)設(shè)備試圖將線路拉高而其他設(shè)備試圖將線路拉低時(shí)，可能會(huì)發(fā)生短路。

二、主從設(shè)備

連接到I2C總線的設(shè)備分為主設(shè)備或從設(shè)備。在任何時(shí)刻，只有一個(gè)主設(shè)備在I2C總線上保持活動(dòng)狀態(tài)。它控制SCL時(shí)鐘線并決定要在SDA數(shù)據(jù)線上進(jìn)行什么操作。

響應(yīng)來(lái)自該主設(shè)備的指令的所有設(shè)備都是從設(shè)備。為了區(qū)分連接到同一I2C總線的多個(gè)從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備在物理上都分配了一個(gè)永久的7位地址。

當(dāng)主設(shè)備想要向從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)或從從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)在SDA線上指定這個(gè)特定的從設(shè)備地址，然后繼續(xù)傳輸。因此，有效的通信發(fā)生在主設(shè)備和特定從設(shè)備之間。

所有其他從設(shè)備都不會(huì)響應(yīng)，除非它們的地址由SDA線上的主設(shè)備指定。

三、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設(shè)備和從設(shè)備遵循以下協(xié)議（規(guī)則集）以在它們之間傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通過(guò)單個(gè)SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸，通過(guò)0和1（位）的模式序列。每個(gè)0和1序列稱為一個(gè)事務(wù)，每個(gè)事務(wù)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

1、開(kāi)始條件

每當(dāng)主設(shè)備/IC決定開(kāi)始一個(gè)事務(wù)時(shí)，它會(huì)在SCL線從高電平切換到低電平之前將SDA線從高電壓電平切換到低電壓電平。

一旦主設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)條件，所有從設(shè)備即使處于睡眠模式也會(huì)激活，并等待地址位。

2、地址塊

它由7位組成，并填充主設(shè)備需要發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的從設(shè)備地址。I2C總線上的所有從設(shè)備將這些地址位與其地址進(jìn)行比較。

3、讀/寫位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。如果主設(shè)備/IC需要向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則該位設(shè)置為“0”。如果主IC需要從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則將其設(shè)置為“1”。

4、ACK/NACK位

它代表已確認(rèn)/未確認(rèn)位。如果任何從設(shè)備的物理地址與主設(shè)備廣播的地址一致，則該位的值由從設(shè)備設(shè)置為“0”。否則它保持邏輯“1”（默認(rèn)）。

5、數(shù)據(jù)塊

它由8位組成，它們由發(fā)送方設(shè)置，需要傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)位。該塊后跟一個(gè)ACK？？/NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則接收器將其設(shè)置為“0”。否則它保持邏輯‘1’。

這種數(shù)據(jù)塊后跟ACK/NACK位的組合被重復(fù)，直到數(shù)據(jù)完全傳輸。

6、停止條件

在通過(guò)SDA線傳輸所需的數(shù)據(jù)塊后，主設(shè)備先將SDA線從低電平切換到高電平，然后再將SCL線從高電平切換到低電平。

注意：邏輯“0”或設(shè)置一個(gè)位為“0”相當(dāng)于在SDA線上施加低電壓，反之亦然。

四、I2C通信實(shí)際如何工作？

I2C通信/事務(wù)由主設(shè)備發(fā)起，以向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或從其接收數(shù)據(jù)。讓我們?cè)敿?xì)了解這兩種場(chǎng)景的工作原理。

1、向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)主設(shè)備嘗試通過(guò)I2C總線向特定從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)生以下操作序列：

（1）主設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)條件；

（2）主設(shè)備發(fā)送與目標(biāo)從設(shè)備對(duì)應(yīng)的7個(gè)地址位；

（3）主設(shè)備將讀/寫位設(shè)置為“0”，表示寫；

（4）現(xiàn)在有兩種可能：如果沒(méi)有從設(shè)備與主設(shè)備發(fā)送的地址匹配，則下一個(gè)ACK？？/NACK位保持為“1”（默認(rèn)）。這向主設(shè)備發(fā)出信號(hào)，表明從設(shè)備識(shí)別不成功。主時(shí)鐘將通過(guò)發(fā)送停止條件或新的啟動(dòng)條件來(lái)結(jié)束當(dāng)前事務(wù)。如果存在與主設(shè)備指定地址相同的從設(shè)備，則從設(shè)備會(huì)將ACK/NACK位設(shè)置為“0”，這會(huì)向主設(shè)備發(fā)出信號(hào)，表明從設(shè)備已成功定位。

（5）如果從設(shè)備成功定位，則主設(shè)備現(xiàn)在發(fā)送8位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)僅由目標(biāo)從設(shè)備考慮和接收。該數(shù)據(jù)對(duì)剩余的從設(shè)備沒(méi)有任何意義。

（6）如果數(shù)據(jù)被從設(shè)備成功接收，它會(huì)將ACK/NACK位設(shè)置為“0”，這表示主設(shè)備繼續(xù)。

（7）重復(fù)前兩步，直到數(shù)據(jù)全部傳輸完畢。

（8）在所有數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備后，主設(shè)備發(fā)送停止條件，通知所有從設(shè)備當(dāng)前事務(wù)已結(jié)束。

下圖表示在SDA線上發(fā)送的總體數(shù)據(jù)位以及控制每個(gè)位的設(shè)備：

2、從從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)

除了以下內(nèi)容外，操作順序與之前的場(chǎng)景相同：

（1）主設(shè)備將讀/寫位設(shè)置為“1”而不是“0”，這向目標(biāo)從設(shè)備發(fā)出信號(hào)，表明主設(shè)備正在等待來(lái)自它的數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)的8位由從設(shè)備發(fā)送，ACK/NACK位由主設(shè)備設(shè)置；

（3）一旦主設(shè)備接收到所需的數(shù)據(jù)，它就會(huì)發(fā)送一個(gè)NACK位。然后從設(shè)備停止發(fā)送數(shù)據(jù)并釋放SDA線。

如果主設(shè)備從從設(shè)備的特定內(nèi)部位置讀取數(shù)據(jù)，它首先使用前面場(chǎng)景中的步驟將位置數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備。然后它以重復(fù)的開(kāi)始條件開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程。

下圖表示在SDA線上發(fā)送的總體數(shù)據(jù)位以及控制每個(gè)位的設(shè)備：

3、時(shí)鐘拉伸的概念

假設(shè)主設(shè)備啟動(dòng)了一個(gè)事務(wù)并發(fā)送特定從設(shè)備的地址位，然后是“1”的讀取位。特定的從設(shè)備需要發(fā)送一個(gè)ACK？？位，緊接著是數(shù)據(jù)。

但是如果從設(shè)備需要一些時(shí)間來(lái)獲取和發(fā)送數(shù)據(jù)到主設(shè)備，在這個(gè)間隙期間，主設(shè)備會(huì)認(rèn)為從設(shè)備正在發(fā)送一些數(shù)據(jù)。

為了防止這種情況，從設(shè)備將SCL時(shí)鐘線保持為低電平，直到它準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)位。通過(guò)這樣做，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送信號(hào)以等待數(shù)據(jù)位，直到時(shí)鐘線被釋放。