I2C

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强， 不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

I2C总线是一种用于芯片之间进行通信的串行总线。它由两条线组成：串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。这种总线允许多个设备在同一条总线上进行通信。

物理层

I2C通信协议是一种通用的总线协议。I2C通信协议有以下特征：

• (1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中， 可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

• (2) 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ， 一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

• (3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址， 主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

• (4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态， 而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

• (5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突， 会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

• (6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ， 高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

• (7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制

• (8) SDA数据线在每个SCL的时钟周期传输一位数据，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效。

• (9) 应答信号和非应答信号I2C的数据和地址传输都带响应。

一主多从是指单片机作为主机，主导I2C总线的运行。挂在I2C总线上的所有外部模块都是从机，只有被主机点名后才能控制I2C总线，不能在未经允许的情况下访问I2C总线，以防止冲突。这就像在课堂上，老师是主机，学生是从机。未经点名允许，学生不能发言，但可以被动地听老师讲课。

另外，I2C还支持多主多从模型，即多个主机。在多主多从模型中，总线上任何一个模块都可以主动跳出来说，接下来我就是主机，你们都得听我的。这就像在教室里，老师正在讲课，突然一个学生站起来说，打断一下，接下来让我来说，所有同学听我指挥。但是，同一个时间只能有一个人说话，这时就相当于发生了总线冲突。在总线冲突时，I2C协议会进行仲裁，仲裁胜利的一方取得总线控制权，失败的一方自动变回从机。由于时钟线也由主机控制，所以在多主机的模型下还要进行时钟同步。多主机的情况下，协议是比较复杂的。

作为一个通信协议，I2C必须在硬件和软件上作出规定。硬件上的规定包括电路的连接方式、端口的输入输出模式等；软件上的规定包括时序的定义、字节的传输方式、高位先行还是低位先行等。这些硬件和软件的规定结合起来构成了一个完整的通信协议。

协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

• 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

• 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

• SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

这个图就是I2C的典型电路模型，这个模型采用了一主多从的结构。在左侧，我们可以看到CPU作为主设备，控制着总线并拥有很大的权利。其中，主机对SCL线拥有完全的控制权，无论何时何地，主机都负责掌控SCL线。在空闲状态下，主机还可以主动发起对SDA的控制。但是，从机发送数据或应答时，主机需要将SDA的控制权转交给从机。

接下来，我们看到了一系列被控IC，它们是挂载在12C总线上的从机设备，如姿态传感器、OLED、存储器、时钟模块等。这些从机的权利相对较小。对于SCL时钟线，它们在任何时刻都只能被动的读取，不允许控制SCL线；对于SDA数据线，从机也不允许主动发起控制，只有在主机发送读取从机的命令后，或从机应答时，从机才能短暂地取得SDA的控制权。这就是一主多从模型中协议的规定。

然后我们来看接线部分。所有I2C设备的SCL和SDA都连接在一起。主机的SCL线拉出来，所有从机的SCL都接在这上面。主机的SDA线也是一样，拉出来，所有从机的SDA接在这上面。这就是SCL和SDA的接线方式。

那到现在，我们先不继续往后看了，先忽略这两个电阻，那到现在，假设我们就这样连接，那如何规定每个设备SCL和SDA的输入输出模式呢？

由于现在是一主多从结构，主机拥有SCL的绝对控制权，因此主机的SCL可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或上拉输入。数据流向为主机发送、所有从机接收。

但是到SDA线这里就比较复杂了，因为这是半双工协议，所以主机的SDA在发送时是输出，在接收时是输入。同样地，从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换。如果能够协调好输入输出的切换时机就没有问题。但是这样做的话，如果总线时序没有协调好，就极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态。如果此时一个引脚输出高电平，一个引脚输出低电平，就会造成电源短路的情况，这是要极力避免的。

为了避免这种情况的发生，I2C的设计规定所有设备不输出强上拉的高电平，而是采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构。这两点规定对应于前面提到的“设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式”以及“SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右”。对应上面这个图。

正常的推挽输出方式如下：上面一个开关管连接正极，下面一个开关管连接负极。当上面导通时，输出高电平；下面导通时，输出低电平。因为这是通过开关管直接连接到正负极的，所以这是强上拉和强下拉的模式。

而开漏输出呢，就是去掉这个强上拉的开关管，输出低电平时，下管导通，是强下拉，输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空的状态，这就是开漏输出。

和这里图示是一样的，输出低电平，这个开关管导通，引脚直接接地，是强下拉，输出高电平，这个开关管断开，引脚什么都不接，处于浮空状态，这样的话，所有的设备都只能输出低电平而不能输出高电平，为了避免高电平造成的引脚浮空，这时就需要在总线外面，SCL和SDA各外置一个上拉电阻，这是通过一个电阻拉到高电平的，所以这是一个弱上拉。

这样做的好处是：

第一，完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全。你看所有人无论怎么拉杆子或者放手，杆子都不会处于一个被同时强拉和强推的状态，即使有多个人同时往下拉杆子，也没问题

第二，避免了引脚模式的频繁切换。开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能，你要是想输出，就去拉杆子或放手，操作杆子变化就行了，你要是想输入，就直接放手，然后观察杆子高低就行了，因为开漏模式下，输出高电平就相当于断开引脚，所以在输入之前，可以直接输出高电平，不需要再切换成输入模式了。

第三，就是这个模式会有一个“线与”的现象。就是只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平，只有所有设备都输出高电平，总线才处于高电平。I2C可以利用这个电路特性执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，所以这里SCL虽然在一主多从模式下可以用推挽输出，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式，因为在多主机模式下会利用到这个特征。

I2C时序设计

• 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

• 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

起始条件是指SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平。在I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA都处于高电平状态，由外挂的上拉电阻保持。当主机需要数据收发时，会首先产生一个起始条件。这个起始条件是，SCL保持高电平，然后把SDA拉低，产生一个下降沿。当从机捕获到这个SCL高电平，SDA下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤。之后，主机需要将SCL拉低。这样做一方面是占用这个总线，另一方面也是为了方便这些基本单元的拼接。这样，除了起始和终止条件，每个时序单元的SCL都是以低电平开始，低电平结束。

终止条件是，SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平。SCL先放开并回弹到高电平，SDA再放开并回弹高电平，产生一个上升沿。这个上升沿触发终止条件，同时终止条件之后，SCL和SDA都是高电平，回归到最初的平静状态。这个起始条件和终止条件就类似串口时序里的起始位和停止位。一个完整的数据帧总是以起始条件开始、终止条件结束。另外，起始和终止都是由主机产生的。因此，从机必须始终保持双手放开，不允许主动跳出来去碰总线。如果允许从机这样做，那么就会变成多主机模型，不在本节的讨论范围之内。这就是起始条件和终止条件的含义。

• 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节

就这样的流程，主机拉低SCL，把数据放在SDA上，主机松开SCL，从机读取SDA的数据，在SCL的同步下，依次进行主机发送和从机接收，循环8次，就发送了8位数据，也就是一个字节，另外注意，这里是高位先行，所以第一位是一个字节的最高位B7，然后依次是次高位B6…

• 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位先行），然后释放SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）

• 发送应答：主机在接收完一个字节之后，在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

• 接收应答：主机在发送完一个字节之后，在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

I2C从机地址

I2C的完整时序，主要有指定地址写，当前地址读和指定地址读这3种。

首先注意的是，我们这个I2C是一主多从的模型，主机可以访问总线上的任何一个设备，那如何发出指令，来确定要访问的是哪个设备呢？

为了解决这个问题，我们需要为每个从设备分配一个唯一的设备地址。这些地址就像是每个设备的名字，主机通过发送这些地址来确定要与哪个设备通信。

当主机发送一个地址时，所有的从设备都会收到这个地址。但是，只有与发送的地址匹配的设备会响应主机的读写操作。

在I2C总线中，每个挂载的设备的地址必须是唯一的，否则当主机发送一个地址时，多个设备响应，就会导致混乱。

在I2C协议标准中，从机设备地址分为7位和10位两种。我们今天主要讨论7位地址，因为它们相对简单且应用广泛。

每个I2C设备在出厂时都会被分配一个7位的地址。例如，MPU6050的7位地址是1101 000，而AT24C02的7位地址是1010 000。不同型号的芯片地址是不同的，但相同型号的芯片地址是相同的。

如果多个相同型号的芯片挂载在同一条总线上，我们可以通过调整地址的最后几位来解决这个问题。例如，MPU6050的地址可以通过ADO引脚来改变，而AT24C02的地址可以通过A0、A1、A2引脚来改变。这样，即使相同型号的芯片，挂载在同一个总线上，也可以通过切换地址低位的方式，保证每个设备的地址都是唯一的。这就是i2C设备的从机地址。