I2C（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線）是一種簡(jiǎn)單、雙向、二線制的串行通信總線，由Philips半導(dǎo)體公司（現(xiàn)在的NXP半導(dǎo)體公司）在八十年代初設(shè)計(jì)出來。它以通俗易懂的方式解釋如下：

基本概念

雙向二線制：I2C總線只使用兩根線——一根數(shù)據(jù)線（SDA）和一根時(shí)鐘線（SCL），就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。這種設(shè)計(jì)使得連接設(shè)備變得非常簡(jiǎn)單和節(jié)省空間。

串行通信：數(shù)據(jù)不是同時(shí)傳輸多個(gè)比特（并行通信），而是按順序一個(gè)接一個(gè)地傳輸（串行通信）。這雖然降低了傳輸速度，但簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

工作原理

SCL為高電平的時(shí)候，SDA由高電平向低電平跳變。SCL為高電平的時(shí)候，SDA由低電平向高電平跳變。

I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功，對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。

主機(jī)+從設(shè)備地址+寫命令，從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答成功，表示有這個(gè)設(shè)備，然后主機(jī)+設(shè)備內(nèi)部寄存器地址，此時(shí)不用再加寫命令控制字，從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答成功，表示設(shè)備內(nèi)有這個(gè)地址，主機(jī)寫入數(shù)據(jù)，從機(jī)應(yīng)答，是否繼續(xù)發(fā)送，不發(fā)送的話，發(fā)送停止信號(hào)P。

要想讀設(shè)備，首先要知道將要所讀取設(shè)備的地址告訴從設(shè)備，從設(shè)備才能將數(shù)據(jù)放到（發(fā)送）SDA上使主設(shè)備讀取，從設(shè)備將數(shù)據(jù)放入SDA上的過程，由硬件主動(dòng)完成，不用人為的寫入。所以首先先寫入從機(jī)地址，然后+寫控制命令，從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答成功，表示有這個(gè)設(shè)備，然后寫入內(nèi)部寄存器地址，此時(shí)不用再加寫命令控制字，從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答成功，表示設(shè)備內(nèi)有這個(gè)地址。然后主機(jī)繼續(xù)發(fā)出：寫入從機(jī)地址，然后+讀命令，從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答成功，此時(shí)便可以讀取數(shù)據(jù)了，從設(shè)備已經(jīng)將數(shù)據(jù)放入到SDA上了。地址跟設(shè)備已經(jīng)驗(yàn)證了，不用再進(jìn)行驗(yàn)證。

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

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總線封鎖狀態(tài)

在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動(dòng)，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個(gè)器件將時(shí)鐘線SCL鎖定在低電平上即可。

總線競(jìng)爭(zhēng)的仲裁

總線上可能掛接有多個(gè)器件，有時(shí)會(huì)發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線的情況，這種情況叫做總線競(jìng)爭(zhēng)。I2C總線具有多主控能力，可以對(duì)發(fā)生在SDA線上的總線競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當(dāng)多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線時(shí)，如果某個(gè)主器件發(fā)送高電平，而另一個(gè)主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時(shí)SDA總線電平不符的那個(gè)器件將自動(dòng)關(guān)閉其輸出級(jí)。總線競(jìng)爭(zhēng)的仲裁是在兩個(gè)層次上進(jìn)行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個(gè)從器件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競(jìng)爭(zhēng)仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進(jìn)行仲裁，因此不會(huì)造成信息的丟失。

為何識(shí)別到“0”將丟失仲裁呢？因?yàn)閷?duì)于OD門，只能驅(qū)動(dòng)到低電平，釋放總線只能通過不驅(qū)動(dòng)總線釋放，停止驅(qū)動(dòng)即產(chǎn)生“1”，但是發(fā)現(xiàn)總線還是“0”，這說明還有主機(jī)在跟自己競(jìng)爭(zhēng)總線使用權(quán)，自己線驅(qū)動(dòng)到“1”，確檢測(cè)到“0”，那代表自己已經(jīng)失去了仲裁。

主機(jī)只能在總線空閑的時(shí)侯啟動(dòng)傳送。兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)可能在起始條件的最小持續(xù)時(shí)間tHD;STA 內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)起始條件，結(jié)果在總線上產(chǎn)生一個(gè)規(guī)定的起始條件。

當(dāng)SCL 線是高電平時(shí)，仲裁在SDA 線發(fā)生；這樣，在其他主機(jī)發(fā)送低電平時(shí)，發(fā)送高電平的主機(jī)將斷開它的數(shù)據(jù)輸出級(jí)，因?yàn)榭偩€上的電平與它自己的電平不相同。然后，進(jìn)一步獲得其的判定條件：

仲裁可以持續(xù)多位。首先是比較地址位。如果每個(gè)主機(jī)都試圖尋址同一的器件，仲裁會(huì)繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位（假設(shè)主機(jī)是發(fā)送器），或者比較響應(yīng)位（假設(shè)主機(jī)是接收器）。

I2C 總線的地址和數(shù)據(jù)信息由贏得仲裁的主機(jī)決定，在仲裁過程中不會(huì)丟失信息。丟失仲裁的主機(jī)可以產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖直到丟失仲裁的該字節(jié)末尾。

在串行傳輸過程中時(shí)，一旦有重復(fù)的起始條件或停止條件發(fā)送到I2C 總線的時(shí)侯，仲裁過程仍在進(jìn)行。如果可能產(chǎn)生這樣的情況，有關(guān)的主機(jī)必須在幀格式相同位置發(fā)送這個(gè)重復(fù)起始條件或停止條件。

此外，如果主機(jī)也結(jié)合了從機(jī)功能，而且在尋址階段丟失仲裁，它很可能就是贏得仲裁的主機(jī)在尋址的器件。那么，丟失仲裁的主機(jī)必須立即切換到它的從機(jī)模式。

I2C 總線的控制只由地址或主機(jī)碼以及競(jìng)爭(zhēng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)決定，沒有中央主機(jī)，總線也沒有任何定制的優(yōu)先權(quán)。

通信過程

起始信號(hào)：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示通信開始。

發(fā)送地址：主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中包含了從機(jī)的地址和后續(xù)字節(jié)的傳送方向（讀或?qū)懀?/p>

從機(jī)應(yīng)答：從機(jī)在接收到地址后，如果地址匹配，則在第9個(gè)時(shí)鐘周期將SDA拉低以應(yīng)答；如果不匹配或無法應(yīng)答，則保持SDA為高電平。

數(shù)據(jù)傳輸：在確認(rèn)從機(jī)應(yīng)答后，主機(jī)開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后面都跟著一個(gè)應(yīng)答位，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

結(jié)束信號(hào)：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)來結(jié)束通信。停止信號(hào)是在SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變。

時(shí)序圖

I2C總線因其簡(jiǎn)單性和靈活性而被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，如連接傳感器、存儲(chǔ)器、顯示屏等外設(shè)到微控制器或微處理器上。它特別適用于需要多個(gè)設(shè)備共享通信線并由一個(gè)（或多個(gè)）主設(shè)備管理的場(chǎng)景。

總結(jié)

I2C是一種簡(jiǎn)單、雙向、二線制的串行通信總線，通過兩根線（SDA和SCL）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。它采用主從架構(gòu)和時(shí)鐘同步機(jī)制來確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。由于其簡(jiǎn)單性和靈活性，I2C總線在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇