I2C通信序列的典型特征

I2C（或IIC）代表IC間通信，是流行的微控制器通信協(xié)議之一。I2C通常用于與傳感器通信，但也用于許多其他應用。

I2C是一種同步協(xié)議，這意味著它有一條時鐘線（有關同步和異步通信的更多信息，請參閱我們的關于該主題的文章）。

I2C通信

雖然I2C只使用兩條通信線路（時鐘和數(shù)據(jù)），但它可以在同一條I2C總線上容納多個設備；這是通過利用一種尋址方案來實現(xiàn)的，其中總線上的每個設備都有一個唯一的地址。通信始于發(fā)送通信所針對的設備地址，然后被尋址的設備必須確認其存在并準備好進行通信。

由于只有一條數(shù)據(jù)線（SDA串行數(shù)據(jù)）用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（半雙工），因此需要一種方案，使通信中的主機和從機都能無沖突地控制數(shù)據(jù)線。必須避免總線爭用，即一個器件試圖向總線寫入高電平，而另一個器件試圖向總線寫入低電平，這會造成短路。

為了實現(xiàn)這一點，使用開漏方案；其中任一器件只能驅動總線“低電平”或“釋放”總線，上拉電阻用于在總線被釋放時將線路拉高（如果您不熟悉開漏或上拉電阻這兩個術語，請參考我們的關于該主題的文章）。時鐘線（SCL串行時鐘）也利用了這一方案，一些創(chuàng)新的技術被用來為I2C協(xié)議增加一些有用的功能——稍后會詳細介紹。

下圖說明了I2C通信序列的典型特征：

通信從I2C總線空閑開始，時鐘和數(shù)據(jù)線都不被驅動，因此被上拉電阻拉高。然后，主機（啟動通信的器件）啟動通信，首先拉低SDA線，然后拉低SCL線，這被定義為起始條件。

接下來，主機發(fā)送它希望與之通信的設備的7位地址，隨后是一個“讀或寫”位，表示主機希望寫入（0）還是讀?。?）該設備。數(shù)據(jù)線在時鐘線的上升沿被視為有效（從機讀取），數(shù)據(jù)首先以最高有效位（MSB）傳輸（如果您不熟悉術語最低有效位和最高有效位，那么您可以閱讀本文了解更多信息）。

地址發(fā)送后，假設被尋址的從機出現(xiàn)在I2C總線上，主機將釋放數(shù)據(jù)線（開漏），從機將在一個時鐘周期內(nèi)保持數(shù)據(jù)線為低電平，以確認（ack）其存在并準備好通信。如果從機不在總線上，則上拉電阻會將數(shù)據(jù)線拉高，主機將知道從機不可用。

在這個階段，主機和從機之間可以傳輸數(shù)據(jù)。如果正在讀取數(shù)據(jù)，則從機將發(fā)送數(shù)據(jù)（同時主機繼續(xù)驅動時鐘線），或者如果正在寫入數(shù)據(jù)，則主機將發(fā)送數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)字節(jié)后都有一個Ack位，在此期間，接收器（可以是主機，也可以是從機，取決于哪一方發(fā)送數(shù)據(jù)）應使數(shù)據(jù)線保持低電平，以指示其已接收到通信（并準備好進行下一次通信，如果適用）。

時鐘拉伸

I2C總線上的從設備能夠通過將時鐘（SCL）線保持在低電平來延遲它們的響應（如果它們?nèi)匀幻β挡⑶疫€沒有準備好響應），這種特性被稱為“時鐘拉伸”；一旦準備好響應，從機就釋放時鐘線，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。這類似于UART （CTS/RTS）中的流控制線路，但不需要額外的通信線路（注意SPI協(xié)議沒有流控制功能）。

一個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)可以按順序傳送，在每個字節(jié)之后出現(xiàn)一個ack。

重復開始

因為從設備可能具有大量可讀取的值（例如多個傳感器讀取值以及設置值），所以從設備可能要求主設備在進行實際讀取之前首先寫入指示其想要讀取什么的指令。在這種情況下，主機將首先發(fā)出一個寫操作，數(shù)據(jù)是指示應該讀取什么的指令，然后主機將立即發(fā)出讀操作。然而，在兩者之間沒有發(fā)出stop，而是主機使用重復起始條件（后跟7位地址和1位讀/寫位，顯然現(xiàn)在設置為read）從寫切換到讀。要發(fā)出重復啟動信號，主機首先將數(shù)據(jù)線拉高，然后是時鐘線，然后主機將數(shù)據(jù)線拉低，接著是時鐘線。

數(shù)據(jù)速率和距離

I2C總線上的通信通常以100kHz或400kHz的頻率進行。這些相對較低的速度適合少量數(shù)據(jù)傳輸，但SPI（使用MHz范圍內(nèi)的時鐘，可能采用雙通道或四通道模式）通常更適合需要傳輸大量數(shù)據(jù)的高吞吐量應用。I2C通常僅用于相對較短距離的通信，但也有一些方案可以通過差分對傳輸I2C，以實現(xiàn)更長距離的通信。

審核編輯：黃飛