I2C基礎知識入門簡單介紹

廢話

I2C其實肝的我挺難受的，通訊協(xié)議這種規(guī)范往往可以摳出很多的細節(jié)，看了波叔的文章《萬變不離其宗之I2C總線要點總結(jié)》，很詳細。我打賭我還不會I2C，因為涉及到很多技術細節(jié)，在實際項目中往往是會被忽略的問題，于是結(jié)合自己以前的項目經(jīng)驗，簡單再總結(jié)一下I2C，由于認知偏差，寫完之后，長吁一口氣，感覺自己好像懂了。

目錄

背景

硬件層

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

實際上如何工作？

單個主設備連接多個從機

多個主設備連接多個從機

總結(jié)

背景

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統(tǒng)或手機與周邊設備組件之間的通訊。由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設備，EEPROM等之間的通信。

I2C最重要的功能包括：

只需要兩條總線；

沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；

所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址；

I2C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測；

傳輸速度；

標準模式：Standard Mode=100Kbps

快速模式：Fast Mode=400Kbps

高速模式：High speed mode=3.4 Mbps

超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps

最大主設備數(shù)：無限制；

最大從機數(shù)：理論上是127；

以上是I2C的一些重要特點，下面會進一步對I2C進行介紹。

硬件層

I2C協(xié)議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數(shù)據(jù)線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數(shù)據(jù)線需要接上拉電阻。

設備間的連接如下所示：

使用I2C，可以將多個從機（Slave）連接到單個主設備（Master），并且還可以有多個主設備（Master）控制一個或多個從機（Slave）。

假如希望有多個微控制器（MCU）將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個LCD時，這個功能就非常有用。

I2C總線（SDA，SCL）內(nèi)部都使用漏極開路驅(qū)動器（開漏驅(qū)動），因此SDA和SCL可以被拉低為低電平，但是不能被驅(qū)動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認情況下將其保持在高電平；

上拉電阻的值取決于許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：

其中是邏輯低電壓；

是邏輯低電流；

是信號的最大上升時間；

是總線（電線）電容；

具體如下所示：

根據(jù)上表，這里不難發(fā)現(xiàn)需要在做電阻選擇需要滿足幾個條件；

灌電流 最大值為；

另外I2C總線規(guī)范和用戶手冊還為低電平輸出電壓設置了最大值為0.4V

所以根據(jù)上述公式可以計算，對于5V的電源，每個上拉電阻阻值至少1.53kΩ，而對于3.3V的電源，每個電阻阻值至少967Ω。

如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ。

上述推導過程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

最終在調(diào)試的時候，當我們測量SDA或SCL信號并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；

當然，這并不意味著每當灌電流超過3mA時，設備就會立即停止工作。但是，在操作超出其規(guī)格的設備時，應始終小心，因為它可能導致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設備和從設備進行數(shù)據(jù)傳輸時遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過一條SDA數(shù)據(jù)線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，數(shù)據(jù)位，停止條件，具體如下所示；

開始條件

當主設備決定開始通訊時，需要發(fā)送開始信號，需要執(zhí)行以下動作；

先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；

然后將SCL從高電平切換到低電平；

在主設備發(fā)送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，并等待接收地址位。

具體如下圖所示；

地址位

通常地址位占7位數(shù)據(jù)，主設備如果需要向從機發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址；

I2C還支持10位尋址；

讀寫位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?/p>

如果主設備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設備，則該位設置為0；

如果主設備需要往從設備接收數(shù)據(jù)，則將其設置為1。

ACK / NACK

主機每次發(fā)送完數(shù)據(jù)之后會等待從設備的應答信號ACK；

在第9個時鐘信號，如果從設備發(fā)送應答信號ACK，則SDA會被拉低；

若沒有應答信號NACK，則SDA會輸出為高電平，這過程會引起主設備發(fā)生重啟或者停止；

數(shù)據(jù)塊

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位，由發(fā)送方設置，它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗健?/p>

發(fā)送之后會緊跟一個ACK/NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則設置為0。否則，它保持邏輯“ 1”。

重復發(fā)送，直到數(shù)據(jù)完全傳輸為止。

停止條件

當主設備決定結(jié)束通訊時，需要發(fā)送開始信號，需要執(zhí)行以下動作；

先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；

再將SCL線從高電平拉到低電平；

具體如下圖所示；

實際上如何工作？

第一步：起始條件

主設備通過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連接的從機發(fā)送啟動條件 ：

第二步：發(fā)送從設備地址

主設備向每個從機發(fā)送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應的讀/寫位；

第三步：接收應答

每個從設備將主設備發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從設備通過將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位；

如果來自主設備的地址與從機自身的地址不匹配，則從設備將SDA線拉高，表示返回一個NACK位；

第四步：收發(fā)數(shù)據(jù)

主設備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)到從設備；

第五步：接收應答

在傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，接收設備將另一個ACK位返回給發(fā)送方，以確認已成功接收到該幀：

第六步：停止通信

為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主設備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發(fā)送停止條件；

單個主設備連接多個從機

I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址，可以使用128（）個從機地址。

請使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc；

多個主設備連接多個從機

多個主設備可以連接到一個或多個從機；

當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，同一系統(tǒng)中的多個主設備就會出現(xiàn)問題。

為了解決這個問題，每個主設備都需要在發(fā)送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平；

如果SDA線為低電平，則意味著另一個主設備可以控制總線，并且主設備應等待發(fā)送消息。

如果SDA線為高電平，則可以安全地發(fā)送消息。

要將多個主設備連接到多個從機，請使用下圖，其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

總結(jié)

本文主要介紹I2C的入門基礎知識，從I2C協(xié)議的硬件層，協(xié)議層進行了簡單介紹；作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。

責任編輯：xj

原文標題：I2C基礎知識入門

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