以下文章來源于汽車電控知識，作者安己樂人

I2C(Inter-Integrated Circuit)表示集成電路互連，是一種用于線路板內(nèi)部芯片之間通信的總線。

I2C總線的引腳和導線的數(shù)量很少，簡化了布線空間，極大的方便了芯片設(shè)計和應用。

同樣可以用于板內(nèi)芯片間串行通信的還有SPI總線《為什么說SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸與眾不同?》，它們之間有什么區(qū)別呢?

1.物理接口

1.1全雙工與半雙工

SPI總線有4根線，串行數(shù)據(jù)線MOSI和MISO、串行時鐘線SCK和從設(shè)備選擇SS。

SPI總線接口1對1原理框圖

而I2C總線僅需要兩條線就可以實現(xiàn)芯片之間的互連通信，這兩根線分別為串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。

I2C總線接口1對1原理框圖

通過接口對比可以看出，SPI有2個數(shù)據(jù)線MOSI和MISO，而I2C只有1個數(shù)據(jù)線SDA。

SPI的2個數(shù)據(jù)線分別用于發(fā)送和接收，所以可以實現(xiàn)全雙工的通信，所謂的雙工就是指可以在發(fā)送與接收兩個方向上傳輸數(shù)據(jù)，全雙工就是可以同時進行收發(fā)。

而I2C只用1根數(shù)據(jù)線，也可以實現(xiàn)兩個方向的傳輸，但是同一時刻只能進行收或發(fā)，不能同時進行，因此I2C是一種半雙工的通信方式。

這里要說明一下，I2C的新版協(xié)議已經(jīng)將術(shù)語主機和從機更改為控制器和目標，我們這里為了方便理解它的原理，還是用主機和從機的描述。

1.2上拉電阻

SPI總線是信號直接相連，外部不需要上拉電阻。

而I2C總線中的SDA和SCL，都必須通過上拉電阻連接到電源電壓。這是因為I2C設(shè)備內(nèi)部輸出電路為開漏(OD)輸出或開集電極(OC)輸出，無法提供高電平輸出，所以要在總線上外接上拉電阻，目的就是用來給總線上的時鐘或數(shù)據(jù)提供高電平。

R1和R2為外部上拉電阻

1.3硬件尋址與軟件尋址

SPI的SS信號用于主設(shè)備選擇從設(shè)備，當有多個從設(shè)備時，主設(shè)備通過SS信號線來使能需要通信的從設(shè)備，通過硬線信號實現(xiàn)片選的功能，這稱為硬件尋址。

而I2C沒有類似SS這樣的硬線信號，它使用的是設(shè)備地址，設(shè)備地址是個7位的數(shù)據(jù)，包括器件類型和地址碼，主設(shè)備通過數(shù)據(jù)線中的地址數(shù)據(jù)來實現(xiàn)片選功能，也就是軟件尋址。

此外，SPI的速率與SCK時鐘頻率有關(guān);I2C的傳輸速率不僅與SCL時鐘頻率有關(guān)，還與工作模式有關(guān)，8位的串行雙向數(shù)據(jù)傳輸速率在標準模式下最高可達100 kbit/s，在快速模式下最高可達400 kbit/s，在快速增強模式下最高可達1 Mbit/s，在高速模式下最高可達3.4 Mbit/s。8位的單向數(shù)據(jù)傳輸，在超快速模式下最高可達5 Mbit/s。

2.主從模式

SPI采用主從模式，主設(shè)備通過提供 SCK(Clock)和SS (SlaveSelect)來控制多個從設(shè)備，從設(shè)備的 Clock 由主設(shè)備通過 SCK 管腳提供。

當有多個從設(shè)備的時候，主設(shè)備會分配給每個從設(shè)備一個片選信號，當主設(shè)備和某個從設(shè)備進行通信時，需要將從設(shè)備對應的片選引腳電平拉低。

SPI總線1主3從原理框圖

與SPI總線相似，I2C采用的也是主從模式。從設(shè)備的 Clock 由主設(shè)備通過 SCL 管腳提供。

當有多個從設(shè)備的時候，每個設(shè)備，包括主設(shè)備都有一個唯一的設(shè)備地址，主設(shè)備在通信時通過SDA發(fā)送地址數(shù)據(jù)來選擇對應的從設(shè)備。

與SPI不同的是，I2C是一種多主總線，也就是在總線上可以連接多個主設(shè)備，這些主設(shè)備都可以發(fā)起對總線的控制。

I2C總線2主2從原理框圖

所以I2C的主從關(guān)系不是固定的，它會根據(jù)功能需要，在通信過程中動態(tài)變化。

I2C總線可以是多主模式，動態(tài)變化

2.1仲裁

主從模式中的一主多從在整個周期中都是由主設(shè)備來控制時序和進程，不會有控制權(quán)沖突的現(xiàn)象。

但是多主模式在多個設(shè)備同時控制發(fā)送時就會產(chǎn)生沖突，因為總線上同一個時刻，只能有一個主設(shè)備獲得控制權(quán)，所以I2C總線必須還要有個發(fā)生沖突時的仲裁機制，以確定最終由哪個主機控制總線并完成其傳輸。

I2C的仲裁機制是如果兩個或多個主機同時發(fā)送數(shù)據(jù)，一個主機發(fā)送“0”，另一個主機發(fā)送“1”時，發(fā)送“0”的主機獲得控制權(quán)，發(fā)送“1”的主機將失去仲裁。

從總線電平來看，就是當總線上只要有一個設(shè)備輸出低電平，整條總線便處于低電平狀態(tài)，這也稱為線與邏輯。

2.2時鐘同步

當總線為空閑狀態(tài)時，SDA和SCL兩條線路一定都是高電平。

在總線空閑時，兩個主機可以同時啟動傳輸，必須有一種方法來決定由哪一個主機來控制總線并完成傳輸。這是通過時鐘同步和仲裁兩個步驟來完成的。

I2C總線時鐘同步

如上圖所示，時鐘同步就是通過SCL接口和SCL總線之間的“線與”連接來執(zhí)行的。

主機一的SCL接口檢測到總線上由高電平到低電平的轉(zhuǎn)換時，便拉低自己的SCL，并開始倒計時應有的SCL低電平保持時間，直到應有的低電平時間結(jié)束，會把SCL時鐘拉到高電平狀態(tài)。

如果另一個主機二的SCL時鐘仍然處于低電平周期內(nèi)，則主機一的SCL時鐘由低到高的轉(zhuǎn)換不會改變SCL總線為低電平的狀態(tài)，主機一的SCL時鐘會進入高電平等待狀態(tài)。因此，SCL總線會被具有最長低電平周期的主機保持在低電平。

當所有的主機都已完成自身低電平周期的計時時，SCL時鐘總線會被釋放并變?yōu)楦唠娖?。主機SCL接口和SCL總線的狀態(tài)之間保持一致，都為高電平。所有主機開始計算它們的高電平周期。第一個完成高電平周期的主機再次將SCL線拉低。

這樣，就產(chǎn)生了同步的SCL總線時鐘，其低周期由具有最長時鐘低周期的主機確定，其高周期由具有最短時鐘高周期的主機確定，這樣大家就統(tǒng)一了時鐘的時序。

2.3 仲裁過程

I2C的端口內(nèi)部電路是可以支持回讀的，就是SCL和SDA端口每次輸出電平后，會立即回讀，用來判斷自己的輸出是否與總線一致。

具體的仲裁過程由SCL和SDA一起配合來完成，SCL負責完成時鐘同步。SDA負責數(shù)據(jù)仲裁。

仲裁是在SDA線上按位地進行的。當SCL為高電平時，每個主機各自判斷自己SDA線輸出的電平是否與SDA總線電平一致，如果不一致，則該主機仲裁失敗，失去對總線的控制權(quán)，需要停止輸出。另一個主機贏得仲裁獲取對總線的控制權(quán)，繼續(xù)完成它的數(shù)據(jù)傳輸。

I2C總線仲裁

仲裁失敗的主機可以在總線空閑時重新發(fā)起仲裁。但是如果一個主機也具有從機的功能，并且在尋址階段仲裁失敗，則該主機必須立即切換到從機模式，便于主機與其通信。

I2C總線的仲裁有點類似于CAN的沖突檢測機制，但是I2C總線的控制是由各個競爭主機發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)決定，它并沒有CAN ID的優(yōu)先級概念。

3.I2C總線狀態(tài)

I2C總線有四種狀態(tài)：空閑、啟動、忙碌、停止。

當總線為空閑狀態(tài)時，SDA和SCL兩條線路一定都是高電平。

所有的傳輸通信都是以啟動(Start)開始，以停止(Stop)結(jié)束。當SCL為高電平時，SDA線上的高電平到低電平轉(zhuǎn)換表示啟動條件S。當SCL為高電平時，SDA線上的低電平到高電平轉(zhuǎn)換表示停止條件P。

啟動條件和停止條件

啟動和停止都是由主機發(fā)起。在啟動發(fā)起之后，總線被認為是忙碌的。在停止發(fā)起后總線被認為是空閑的。

4.SDA數(shù)據(jù)有效性

在串行時鐘SCL線的高電平期間，SDA線的“高電平”或者“低電平”狀態(tài)必須保持穩(wěn)定，此時SDA線上穩(wěn)定的“高電平”或“低電平”就是有效數(shù)據(jù)“1”或者“0”。

SDA的數(shù)據(jù)改變，也就是電平狀態(tài)改變，只能在SCL線的低電平期間進行。串行時鐘SCL每產(chǎn)生一個高電平脈沖，串行數(shù)據(jù)SDA線就傳輸一位有效數(shù)據(jù)。

SDA數(shù)據(jù)在SCL高時有效

SDA線在SCL線的低電平期間改變數(shù)據(jù)(改變電平)，更改完成后，SCL線由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒈３址€(wěn)定，此時SDA線的穩(wěn)定電平就是有效數(shù)據(jù)。

5.數(shù)據(jù)傳輸格式

總線啟動后，串行數(shù)據(jù)SDA線上每次傳輸1個字節(jié)(8位)，每個字節(jié)后必須跟隨1個應答位，可以連續(xù)傳輸多次，即多個字節(jié)。

數(shù)據(jù)首先從最高有效位(MSB)開始。如果從機由于內(nèi)部繁忙，無法立即接收或發(fā)送下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，從機可以拉低時鐘線SCL，使主機進入等待狀態(tài)，直到從機做好準備后，再釋放時鐘線SCL，繼續(xù)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

I2C總線數(shù)據(jù)傳輸格式

應答(ACK)發(fā)生在每個字節(jié)之后，是接收器向發(fā)送器發(fā)送的確認信號，表示該字節(jié)成功接收。

應答信號是在第9個應答時鐘脈沖SCL保持高電平期間，發(fā)送器釋放SDA線(高電平)，接收器拉低SDA線。主機或從機收到ACK應答信號后，可以繼續(xù)進行接下來的傳輸，否則主機會中止傳輸或重新啟動傳輸。

5.1 從機地址和R/W位

主機在啟動后，發(fā)送從機地址，該地址為7位長度。后面第8位是數(shù)據(jù)傳輸方向位，邏輯“1”代表讀R，邏輯“0”代表寫W，讀表示接下來的數(shù)據(jù)由從機發(fā)送給主機，寫表示接下來的數(shù)據(jù)由主機發(fā)生給從機。

數(shù)據(jù)傳輸示例

在傳輸中，讀/寫格式有不同的組合，比如寫數(shù)據(jù)時主機發(fā)送器向從機接收器發(fā)送信號。傳輸方向不變，從機接收器確認每個字節(jié)。

主機向從機寫數(shù)據(jù)

與寫對應的就是讀數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時主機在發(fā)送完第一個目標地址字節(jié)后立即讀取從機。在第1次應答(ACK)后，主機發(fā)送器變成主機接收器，從機接收器變成從機發(fā)送器。

主機向從機讀數(shù)據(jù)

這里的第1應答是由從機產(chǎn)生，后續(xù)的應答是由主機產(chǎn)生。停止信號由主機產(chǎn)生，主機在發(fā)起停止信號之前先給從機發(fā)送一個不應答(NACK)信號。

還有一種方式，就是讀和寫的混合模式，在傳輸過程中改變讀寫方向時，啟動信號和從機地址都會重復，R/W位會反轉(zhuǎn)。如果主機接收器要發(fā)送重啟信號，它就在重啟之前發(fā)送不應答(NACK)。

主機向從機讀、寫數(shù)據(jù)

大多數(shù)I2C總線的從機設(shè)備具有7位從機地址編碼，所以理論上總線可以連接128個從機設(shè)備;為連接更多設(shè)備，I2C規(guī)范又增加了10位地址編碼的從機設(shè)備，使從機設(shè)備可以擴展到1024個。

5.2 特殊保留地址

地址編碼中除了用于表示每個芯片的目標地址，還有8個特殊地址編碼，作為特殊保留地址。

特殊保留地址

我們主要介紹下其中的廣播地址，廣播呼叫地址(0000 0000)用于主機同時尋址連接到I2C總線的所有從機。

主機啟動I2C總線后，第一字節(jié)首先發(fā)送廣播呼叫地址(0000 0000)，如果某些從機不需要被呼叫尋址，它可以通過不應答(NACK)來忽略這個地址。如果某些設(shè)備確實需要傳輸數(shù)據(jù)，它就發(fā)送應答(ACK)信號來確認這個地址并作為一個從機接收器。如果一個或多個從機做出應答響應，主機實際上并不知道有多少從機進行了應答。第二個字節(jié)及以后的字節(jié)由每個能夠處理該數(shù)據(jù)的從機接收器接收并確認。不能處理這些字節(jié)的從機可以通過不應答(NACK)來忽略它。

廣播呼叫地址格式

主機發(fā)送的第2個字節(jié)是控制地址，是表示呼叫目的和含義的字節(jié)，其具體含義如下

當?shù)?字節(jié)第8位B=0時，常使用兩種控制地址：

1.控制地址=0000 0110(06h)：從機復位和寫數(shù)據(jù)到從機內(nèi)部存儲空間。從機接收到第一字節(jié)和本字節(jié)后，被尋址的所有從機復位，并接收主機接下來發(fā)送的數(shù)據(jù)，存入自己內(nèi)部存儲空間。

2.控制地址=0000 0100(04h)：寫數(shù)據(jù)到從機內(nèi)部存儲空間。過程如上，但不會復位硬件。

當?shù)?字節(jié)的第8位B=1時，前7位表示主機自己的地址，這中廣播地址表示“硬件廣播”。

廣播呼叫地址第2字節(jié)第8位B=1

從機接收到第1字節(jié)和控制地址后，被尋址的所有從機將第2字節(jié)的前7位標識備案為主機的地址。這個地址的作用就是向所有設(shè)備發(fā)送自身的設(shè)備地址。

6.小結(jié)

I2C是一種串行、高速的半雙工通信總線，它只用SCL和SDA兩根線就可以實現(xiàn)控制時鐘信號和數(shù)據(jù)信號的傳輸。I2C雖然與SPI都是主從模式，但它可以允許多主模式，通過時鐘同步、回讀檢測和仲裁可以防止總線錯誤和沖突!