IIC（I2C）协议详解

1.简介

IIC,即I²C，全称 Inter-Integrated Circuit，字面上的意思是集成电路之间，它其实是I²C Bus简称，所以中文应该叫 集成电路总线 ，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。

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2. I2C 硬件连接

I2C 在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线 SCL（SCK）时钟线,SDA 数据线，在一条I2C 总线上可以接很多 I2C 设备，SDA和SCL这两根线必须要接一个上拉电阻，常用是4.7K，一般在4.7k-10k之间。

总线空闲的时候SCL和SDA处于高电平。

IIC总线标准模式下速度可以达到100Kb/s，快速模式下可以达到400Kb/s，高速模式可达3.4Mb/s。

3. I2C 信号

I2C 协议中数据传输的单位是字节，也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟：前面 8 个时钟用来传输 8 数据，第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。

开始信号（ S）： SCL 为高电平时， SDA 山高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号（ P）： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

响应信号(ACK)：接收器在接收到 8 位数据后，在第 9 个时钟周期，拉低 SDA

SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定， SDA 上的数据只能在SCL 为低电平期间变化

I2C 协议信号如下：

4. IIC 传输数据的格式

4.1写操作

1)主芯片要发出一个 start 信号

2)然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写， 0 表示写， 1 表示读)

3)从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

4)主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应

5)每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

6) 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

7)下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

4.2读操作

1)主芯片要发出一个 start 信号

2)然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写， 0 表示写， 1 表示读)

3)从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

4)从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应

5)每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

6)数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

5. 协议细节

5.1如何在 SDA 上实现双向传输？

主芯片通过一根 SDA 线既可以把数据发给从设备，也可以从 SDA 上读取数据，连接 SDA 线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。

5.2内部原理

设备的 SDA 中有一个三极管，使用开极/开漏电路(三极管是开极， CMOS管是开漏，作用一样)，如下图：

真值表如下：

从真值表和电路图我们可以知道：

• 当某一个芯片不想影响 SDA 线时，那就不驱动这个三极管

• 想让 SDA 输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA 通过上拉电阻变为高电平)

• 想让 SDA 输出低电平，就驱动三极管

5.3为何 SCL 也要使用上拉电阻？

在第 9 个时钟之后，如果有某一方需要更多的时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把SCL 拉低。

当 SCL 为低电平时候，大家都不应该使用 IIC 总线，只有当 SCL 从低电平变为高电平的时候， IIC 总线才能被使用。

当它就绪后，就可以不再驱动三极管，这是上拉电阻把 SCL 变为高电平，其他设备就可以继续使用 I2C 总线了。

5.4 I2C总线最多可以挂多少个设备

I2C是7位地址,2^7=128,但是地址0x00不用,那就是127个地址，所以理论上可以挂127个从器件。

尽管I2C协议没有规定总线上device最大数目，但是规定了总线电容不能超过400pF。

管脚都是有输入电容的,PCB上也会有寄生电容，所以会有一个限制。

实际设计中经验值大概是不超过8个器件。

规定电容大小的原因:I2C的OD(漏极开路)要求外部有电阻上拉，电阻和总线电容产生了一个RC延时效应，电容越大信号的边沿就越缓,有可能带来信号质量风险。传输速度越快,信号的窗口就越小,上升沿下降沿时间要求更短更陡峭,所以RC乘积必须更小。