I2C通信是內(nèi)部集成電路的簡稱，它是飛利浦半導體開發(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IC之間僅使用兩條公共電線傳輸數(shù)據(jù)。

由于其簡單性，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)位以參考時鐘線設(shè)置的規(guī)則時間間隔一個一個地傳輸。

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)需要隨時調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速度；
（3）用于驗證傳輸數(shù)據(jù)的簡單機制；
（4）使用7位尋址系統(tǒng)來定位I2C總線上的特定設(shè)備/IC；
（5）I2C網(wǎng)絡(luò)易于擴展，新設(shè)備可以簡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，稱為串行時鐘線(SCL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過SDA線發(fā)送，并與來自SCL的時鐘信號同步。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）都用作開漏驅(qū)動器。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)動為低電平，但不能將它們驅(qū)動為高電平。因此，每條總線都使用一個上拉電阻，默認情況下將它們保持在高電平（正電壓）。

使用開漏系統(tǒng)的原因是沒有短路的可能性，當一個設(shè)備試圖將線路拉高而其他設(shè)備試圖將線路拉低時，可能會發(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。在任何時刻，只有一個主設(shè)備在I2C總線上保持活動狀態(tài)。它控制SCL時鐘線并決定要在SDA數(shù)據(jù)線上進行什么操作。

響應(yīng)來自該主設(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總線的多個從設(shè)備，每個從設(shè)備在物理上都分配了一個永久的7位地址。

當主設(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，它會在SDA線上指定這個特定的從設(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)通過單個SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸，通過0和1（位）的模式序列。每個0和1序列稱為一個事務(wù)，每個事務(wù)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

1、開始條件

每當主設(shè)備/IC決定開始一個事務(wù)時，它會在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)送啟動條件，所有從設(shè)備即使處于睡眠模式也會激活，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行比較。

3、讀/寫位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉Ｈ绻髟O(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/未確認位。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）。

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)置一個位為“0”相當于在SDA線上施加低電壓，反之亦然。

四、I2C通信實際如何工作？

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)。讓我們詳細了解這兩種場景的工作原理。

1、向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

當主設(shè)備嘗試通過I2C總線向特定從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，會發(fā)生以下操作序列：

（1）主設(shè)備發(fā)送啟動條件；
（2）主設(shè)備發(fā)送與目標從設(shè)備對應(yīng)的7個地址位；
（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：如果沒有從設(shè)備與主設(shè)備發(fā)送的地址匹配，則下一個ACK??/NACK位保持為“1”（默認）。這向主設(shè)備發(fā)出信號，表明從設(shè)備識別不成功。主時鐘將通過發(fā)送停止條件或新的啟動條件來結(jié)束當前事務(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)備會將ACK/NACK位設(shè)置為“0”，這會向主設(shè)備發(fā)出信號，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)僅由目標從設(shè)備考慮和接收。該數(shù)據(jù)對剩余的從設(shè)備沒有任何意義。
（6）如果數(shù)據(jù)被從設(shè)備成功接收，它會將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”，這向目標從設(shè)備發(fā)出信號，表明主設(shè)備正在等待來自它的數(shù)據(jù)；
（2）數(shù)據(jù)塊對應(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)，它就會發(fā)送一個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)的開始條件開始讀取數(shù)據(jù)的過程。

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

3、時鐘拉伸的概念

假設(shè)主設(shè)備啟動了一個事務(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ACK??位，緊接著是數(shù)據(jù)。

但是如果從設(shè)備需要一些時間來獲取和發(fā)送數(shù)據(jù)到主設(shè)備，在這個間隙期間，主設(shè)備會認為從設(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時鐘線保持為低電平，直到它準備好傳輸數(shù)據(jù)位。通過這樣做，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送信號以等待數(shù)據(jù)位，直到時鐘線被釋放。

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