一文搞懂I2C协议-硬件基础

I2C是什么

I2C总线是由飞利浦在80年代初设计的，以允许位于同一电路板上的组件之间能够轻松通信。其大大简化了电路的设计，早期的电视机中很多地方用到了I2C这种通信方式。飞利浦半导体于2006年迁移到了NXP。I2C名称翻译为“ Inter IC”。有时，该总线称为IIC或I²C总线。I2C总结的基本的特征：

• 电路简单，只需要两根线，时钟线SCL和数据线SDA
• I2C为总线型结构，主设备依靠从设备地址进行寻址
• I2C总线上的设备可以为一主多从或者多主多从，多主多从模式下，需要提供仲裁和冲突检测机制。
• I2C主设备提供时钟，SDA可以双向传输数据
• I2C标准的传输速率可以达到100Kbit/s，快速模式下可以达到400Kbit/s，高速模式下可以到达3.4Mbit/s。一般最为常用的传输速率<=100Kbit/s。

I2C的硬件电路

I2C主-从设备硬件连接电路如下：

I2C硬件电路特征：

• 连接到I2C总线上的设备，必须是以开漏或开集电极的方式连接，这样才能实现线与。
• SCL和SDA必须接上拉电阻，电阻的大小为4.7K到10K之间。
• 连接到总线上的设备数量受400pF电容的限制。

这里需要注意的三个点：开漏或开集电极、上拉电阻、线与，下面纷纷讨论一下。需要实现说明的是，本人不是电子专业毕业，如果有哪里说的不对的地方，欢迎大家批评指正。

漏极/集电极开路

上面说到芯片的SDA和SCL必须以开漏或者开集电极的方式连接到I2C总线，下面就来分析一下为何必须使用这种方式。

首先说一下，何为漏极/集电极开路，下面以三极管的集电极开路为例讲解一下，MOS管的漏极开路原理相似。

上图就是三极管的集电极开路连接方式，这种连接方式的特点如下：

• 输入端为“1”，即高电平，三极管导通，三极管C极与E极导通，输出为“0”。
• 输入端为“0”，即低电平，三极管截止，三极管输出“1”。
• 输入和输出反相。
• 如果输出端不接上拉电阻，输入端为”0“时，输出端为”高组态“。
• 输入端只能输出“0”，不能输出“1”，如果想输出“1”，需外接上拉电阻。
• 可以实现“线与”的功能，下一节介绍。
• 电器兼容性好，上拉电阻接不同电压就可以接入到不同的系统中，接3.3V接入到3.3V系统，接5V就接入到5V系统。

上面就是三极管的集电极开路硬件电路，但是，其存在一个问题，就是输入和输出是反相的，需要额外的电路将其再次“反相”，才能使输入和输出一致。

上图电路中，增加了一个反相三极管，即三极管2，下面看一下它的输入和输出特征：

• 输入端为“1”，即高电平，三极管1导通，三极管2截止，输出端由于为“开集电极”，由于上拉电阻的作用，输出“1”。
• . 输入端为“0”，即低电平，三极管1截止，三极管2导通，这时输出端的输出为“0“。

可以看到输入和输出的相位是相同的了。好了，上面就是三极管的集电极开路的电路原理，那么，为什么 连接到I2C总线上的设备，必须是以开漏或开集电极的方式连接呢？根本原因是这种电路可以实现**“线与”**的功能。

线与

由于I2C是一种总线通信协议，所以，会有多个设备挂载在I2C的两根信号线上。设备通信的原理就是按照SCL上的时钟，有规律的改变SDA上的电平，来达到数据通信的要求。那由于总线上挂接了多个设备，不可避免的是会同时有个多个设备试图去改变信号线上的电平，那么必然会产生冲突。所以，如果要正常通信，必须避免冲突的发生。
一种简单的预防冲突机制是：设备在发送数据之前，需要进行冲突检测，检测的依据就是检查SDA的电平状态：只要检测到SDA为低电平，那就是表示总线处于被占用的状态，那么，为了避免发生冲突，当前设备必须等待一段时间以后再次去检测SDA的电平状态，如果总线变成“空闲”的了（即SDA为高电平），那么该设备才能进行通信。

这里有一个关键点就是：如何保证连接到I2C总线上的多个的设备，只要存在一个设备占用了总线，其他设备无论如何也不能使总线变为空闲呢？上文说的集电极开路结构就能达到这个要求。

如上图，每个设备的SDA输出的值，不完全相同，但是，只要有一个为“0”，其结果就是“0”，这就是线与，其可以保证SDA线上的信号，要么稳定为“0”（至少一个设备输出为0），要么稳定为“1”（全部设备输出都为1）。利用“线与”，I2C总线上的设备，可以方便的检测总线的工作状态，从而可以实现冲突检测和正常的通信时序。

I2C时序

上面主要介绍了I2C总线的硬件基本原理，可是，设备之间如何要完成最终的通信，必须严格按照一定的时序来完成不同信号的交互，这些时序就是I2C通信的硬件协议。

边沿控制信号

I2C设备在进行通信时，首先都是由主设备发起。如果主设备要写数据到从设备，主设备将数据放到SDA，等待数据稳定之后，主设备向SCL发送一个上升沿通知从设备读取数据，在SCL高电平期间，SDA的数据应该是稳定的；如果是主设备要读取从设备发来的数据，主设备向SCL发送一个下降沿通知从设备将数据放到SDA上，主设备在SCL高电平期间读取SDA上的数据，读取数据期间，SDA上的数据必须是稳定的。

总结一下：

• 写：主设备将数据放到SDA上，等数据稳定之后，发送边沿信号（上升沿）通知从设备读取SDA上的数据。
• 读：主设备发出边沿信号（下降沿）告诉从设备发送数据，检测到边沿信号之后，从设备改变数据，主设备在时钟高电平期间读取数据。

数据有效性规定

• I2C在进行数据传送时，SCL为高电平时，SDA上的数据必须稳定。
• 只有SCL为低电平时，SDA上的数据才允许变化。

开始/停止信号

I2C的开始和停止信号，如下：

• 起始和终止信号都是由主设备发起的。
• 起始信号之后，总线处于占用状态，结束信号之后，总线回到空闲状态。

数据传输

I2C在进行数据传输时的一般规则如下：

• 发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。
• 首先传输的是数据的最高位（MSB），每个字节后必须跟一个响应位，所以，一帧数据共有9位。
• 如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL后数据传输继续。

数据接收端在接收到数据之后，如果需要继续接收数据，那么其需要向发送端发送应答信号；如果数据接收端不再接收数据，需要发送非应答信号。

读/写时序

设备寻址

I2C开始通信时，主设备会发起总线寻址，方式就是在发起起始信号之后，发送一个字节的寻址地址。

• R/W位：表示数据传输方向，0表示主机向从机写，1表示主机由从机读取数据。
• 设备地址分为可编程和不可编程，有的设备地址是固定的不变的，而有的设备可以通过芯片的引脚来设定设备的地址，地址可编程的设备，方便在一条I2C总线上，连接多个相同的设备，然后通过地址进行区分。

I2C写时序

下图完整的展示了主机向从机写一个字节的时序图，需要注意的包括：

• 主机在开始信号之后，需要先发送寻址字节，其中，第0位，为0表示主机要向从机写数据。
• 从机在接收到每个数据之后，需要发送ACK信号，表示成功接收到数据。
• 主机在发送完数据之后，发送停止信号。
  

I2C读时序

下图完整的展示了主机由从机读取数据的时序图，需要注意的包括：

• 主机在开始信号之后，需要先发送寻址字节，其中，第1位，为1表示主机由从机读取数据。
• 主机在接收到每个数据之后，需要发送ACK信号，表示成功接收到数据。
• 主机在接收完最后一个字节的数据之后，发送“NACK”表示接收完成，之后，从机放弃SDA的控制权，主机发送停止信号，数据接收过程结束。