I2C 通信协议概述

I2C 是一种半双工系统内部协议，通常用于系统内多个集成电路(IC)间的通讯。通过调节时钟频率，其可以实现 5 种速率：100kbps 400kbps 1Mbps 3.4Mbps 5Mbps。

一、物理层

• 两条线路：
  • SDA：双向串行数据线，用来传输数据
  • SCL：串行时钟线，用来同步时钟
• 多从机：一个 I2C 控制器下可以挂多个 I2C 从设备
• 每个设备都有一个独立的地址，I2C 控制器利用这个地址访问不同的从机设备
• 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态。
• 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突， 会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线
• 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制
• 为了避免总线信号的混乱，连接到总线设备的输出端必须是开漏输出结构。
• 上拉电阻结构使 SDA 和 SCL 总线保持高电平

不同于 RS-232 为异步通信需要设置波特率，I2C 拥有一条时钟线，为同步传输，其数据有效性如下：

• SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效：SDA 为高电平时表示逻辑1， 为低电平时表示逻辑0
• SCL为低电平的时候SDA表示的数据无效：SDA 一般在这个时候进行电平切换

二、协议层

I2C 的通信过程是由主机发起的，支持主机写数据到从机和主机在从机中读数据，其过程如下。

1. 起始信号：SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，即一个下降沿，表示通讯的起始。起始和停止信号一般由主机产生。

   

2. 设备地址：起始信号产生后所有从机开始等待主机接下来的广播。与主机广播地址相同的设备被选中等待接下来的信号，其余设备会忽略接下来的信号。这个从机地址可以是7位（或10位），这是一个 8 位的数据，其中高 7 位是设备地址。

3. 操作位：最后 1 位是读写位，为 0 表示写操作，为 1 表示读操作。

4. 数据传输：

   • 写数据：主机接收到从机的应答 ACK 信号后开始发送数据，每个数据包大小为 8 bits, 主机每发送一个数据包，等待从机应答信号 ACK，并重复这个过程。
   • 读数据：主机接收到从机的应答 ACK 信号后开始接收数据，从机开始发送数据，每个数据包也是 8 bits，从机每发送一个数据包要等待主机的应答信号 ACK，并重复这个过程。倘若主机希望停止接收数据，会发送一个非应答信号 NACK，从机接收到需停止发送

5. 停止信号 P：当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。

Ref

[1] 野火 STM32 I2C https://doc.embedfire.com/mcu/stm32/f103badao/std/zh/latest/book/I2C.html

[2] A Basic Guide to I2C - Texas Instruments https://www.ti.com/lit/an/sbaa565/sbaa565.pdf?ts=1747371431982&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F