一、什么是I2C協(xié)議

I2C是由Philips開發(fā)的簡單的雙向兩線總線，在深入淺出理解SPI協(xié)議中，我們區(qū)分了單工，半雙工，全雙工協(xié)議數(shù)據(jù)流向的區(qū)別，根據(jù)特征，I2C協(xié)議屬于半雙工協(xié)議（即同一時刻，數(shù)據(jù)單向流動）。此外，I2C也是一種可以多主設(shè)備，多從設(shè)備的總線協(xié)議，通過地址索引,I2C可以使能所需從設(shè)備，I2C的出現(xiàn)主要是用來實(shí)現(xiàn)不同集成電路組件之間的控制功能，比如通過I2C協(xié)議，連接MCU與LCD驅(qū)動器，遠(yuǎn)程I/O口，RAM，EEPROM或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

二、I2C,SPI,UART協(xié)議的區(qū)別

作者按照順序，依次完成了UART，SPI，I2C協(xié)議，因?yàn)檫@三種協(xié)議都屬于低速通用協(xié)議接口，因此作者將這三種協(xié)議放在一塊進(jìn)行比較，誠然，這些協(xié)議經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，衍生出了很多新版本，擁有了很多新特性，但他們的基本通信方式?jīng)]變，因此我們僅比較他們的基本版本，得到如下表格，當(dāng)然特性太多，也未必絕對準(zhǔn)確，僅供初學(xué)者參考。

重點(diǎn)解釋一下UART，SPI，I2C這三個協(xié)議的選通方式，作者覺得很有意思。

對于UART來說，正常來說是沒有辦法滿足一個主設(shè)備，多個從設(shè)備的通信，它的通信方式最為簡單，最低只需要一根線即可完成通信，協(xié)議本身并不允許外接多個從設(shè)備，但是我們也可以通過比如485轉(zhuǎn)接、增加二極管的方式來進(jìn)行多從設(shè)備選擇（電路層面的設(shè)計內(nèi)容，不是數(shù)字IC需要考慮的內(nèi)容）。

其次是SPI協(xié)議，它有一個專門的NSS端口，默認(rèn)拉低來選擇所需的從設(shè)備。

最后是I2C協(xié)議，每個主設(shè)備和每個從設(shè)備都對應(yīng)一個地址，通信的時候先發(fā)送地址信號，若一致，則被選中。

三、I2C的信號線

I2C僅需要兩根信號線即可完成通信，如下圖所示。除此以外，I2C的信號線需要連接上拉電路，有關(guān)上拉電阻的大小，是電路設(shè)計工程師需要操心的事，不歸Digital IC Design Engineer管，就不在這里贅述了。

SDA（Serial Data） ：串行數(shù)據(jù)線，用來傳輸數(shù)據(jù)信號。

SCL（Serial Clock）：串行時鐘線，用來傳輸時鐘信號，一般是主設(shè)備向從設(shè)備提供。

四、I2C的連接方式

I2C的連接的連接形式非常靈活，可以是單主設(shè)備，單從設(shè)備，也可以是單主設(shè)備，多從設(shè)備，還可以是多主設(shè)備，多從設(shè)備。

4.1 單主設(shè)備，單從設(shè)備

4.2 單主設(shè)備，多從設(shè)備

4.3 多主設(shè)備，多從設(shè)備

五、I2C的數(shù)據(jù)傳輸格式

5.1 空閑位

空閑時SDA與SCL默認(rèn)都是高電平，對應(yīng)于主設(shè)備狀態(tài)機(jī)IDLE（默認(rèn)態(tài)）時的輸出為高

5.2 起始位

SCL為高電平的時候 ，主設(shè)備控制SDA從1到0，為起始位，進(jìn)入起始位后，SCL按照始終的要求進(jìn)行翻轉(zhuǎn)

從設(shè)備接收到起始位信息，狀態(tài)機(jī)發(fā)生跳變，等待地址信號的輸入

從設(shè)備在這里需要使用到下降沿檢測電路，作為狀態(tài)機(jī)跳變的控制信號，詳情可參考作者之前的文章。【數(shù)字IC手撕代碼】Verilog邊沿檢測電路

5.3 地址位與讀寫控制

主設(shè)備按照從高到低的順序，依次發(fā)送地址位，從設(shè)備進(jìn)行接收，通常情況下，地址位為7bit，讀寫選擇為1bit。每個從設(shè)備有且只有一個唯一的地址編號，依靠著這個編號，確定主設(shè)備具體與哪一個從設(shè)備進(jìn)行通信。

同時，為了確保采樣時信號穩(wěn)定，對于主設(shè)備，我們在下降沿的時候?qū)⑿盘柗旁赟DA上，對于從設(shè)備，我們在上升沿的時候進(jìn)行采樣。

對于讀寫控制位來說如果主設(shè)備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備，則該位設(shè)置為 0；如果主設(shè)備需要往從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則將其設(shè)置為 1 。即寫為0，讀為1。

5.4 應(yīng)答位（ACK/NACK）

發(fā)送了標(biāo)題為5.3的8bit后，主機(jī)釋放對SDA的控制權(quán)，由于上拉電阻的作用這個時候SDA默認(rèn)為高電平，從機(jī)接管SDA的控制權(quán)，假如從機(jī)正確的接收了數(shù)據(jù)，會將SDA拉低，假如沒有正確的接收數(shù)據(jù)，在從設(shè)備的控制下，SDA依舊為高電平。

讀者在這里會發(fā)現(xiàn)，同一個SDA，怎么主設(shè)備也能控制，從設(shè)備也能控制呢？這里涉及到了inout雙向端口的相關(guān)問題，可以參考作者的這篇文章進(jìn)行解讀和理解通俗易懂的帶你解讀inout雙向端口

5.4.1 正確接收數(shù)據(jù)（ACK）

正確接收，SDA由從設(shè)備拉低

5.4.2 未正確接收數(shù)據(jù)（NACK）

未正確接收，SDA依舊為高電平

5.5 數(shù)據(jù)位

當(dāng)我們成功收到ACK信號后，就可以正式傳輸數(shù)據(jù)位了，每一次默認(rèn)傳輸一個字節(jié)（即8bit），每個字節(jié)的傳輸都需要跟一個應(yīng)答位（ACK/NACK）

5.6 停止位

SCL先拉高，在SCL為高電平的時候，SDA從低到高，即為停止位，此后，I2C協(xié)議重新進(jìn)入到空閑狀態(tài)。這里使用了上升沿檢測電路，原理同起始位的下降沿檢測電路

5.7 總結(jié)

首先為起始位S(start)，接著傳輸?shù)刂?位SLAVE ADDRESS和1位讀寫控制信號R/W,再往后8位8位的傳輸數(shù)據(jù)位，每個字節(jié)緊跟ACK信號，最后為停止位

所有的陰影部分，都是主設(shè)備在操作總線，而A對應(yīng)的ACK，則為從設(shè)備在操作總線。

六、I2C可配置變量

6.1 傳輸模式

標(biāo)準(zhǔn)模式(Standard)：100kbps

快速模式(Fast)：400kbps

快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps

高速模式(High-speed)：3.4Mbps

超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（單向傳輸）

提起不同速度的傳輸模式，讀者首先想到的可能是指SCK的頻率，這沒有錯，但是絕不僅限于此，為了獲得更高的傳輸速率，除開芯片設(shè)計工程師外，電路的設(shè)計人員需要認(rèn)真思考諸如“負(fù)載電容，上拉電阻的大小”等更偏向于電路設(shè)計或模擬設(shè)計的內(nèi)容。

6.2 地址位寬

標(biāo)準(zhǔn)I2C：七位尋址

擴(kuò)展I2C：十位尋址

每個主設(shè)備或者從設(shè)備都能對應(yīng)一個唯一的地址，大多數(shù)情況下，7位的地址，已經(jīng)夠用了。但是也可以對其進(jìn)行擴(kuò)展，轉(zhuǎn)變?yōu)?0位地址，多出來的3位地址相當(dāng)于提供了8倍潛在設(shè)備數(shù)量，同時，按照NXP2021版的I2C協(xié)議規(guī)定，10位地址的從設(shè)備，和7位地址的從設(shè)備，都可以掛在一個總線上，彼此相互兼容，不過，客觀來講，10位尋址的I2C不常用，7位尋址的I2C協(xié)議就足夠大家日常使用了。

6.3 設(shè)備地址

每個主設(shè)備與從設(shè)備需要設(shè)置互不相同的七位地址或十位地址。

等等等等

七、I2C的仲裁機(jī)制

7.1 SCL同步問題

總線天生帶線與邏輯，即總線的幾個輸入端，任意有一個拉低，總線表現(xiàn)為低電平，全部位高電平時，總線才是高電平，真值表如下所示。

假設(shè)有兩個主設(shè)備都想拉低SCL信號，Master1先拉低 ，Master2后拉低，那么SCL會按照CLK1的時間來拉低自身（線與邏輯的應(yīng)用），而假如Master1先拉高，Master2后拉高，SCL又會按照CLK2的時間來拉高自身。

因此：當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送時鐘信號時，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時鐘信號。這就是SCL的同步原理

7.2 SDA仲裁問題

設(shè)想一種多主設(shè)備，多從設(shè)備的情況

假如在空閑狀態(tài)時，兩個主設(shè)備先后想要操控I2C總線（相隔時間很短），I2C豈不是會發(fā)生錯誤（數(shù)據(jù)紊亂等），如何解決這個問題呢？

我們可以采取仲裁機(jī)制，同樣應(yīng)用到總線的線與邏輯，在箭頭所指的位置，SCL上升沿到來，對SDA上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，結(jié)果為0，與DATA2上的數(shù)據(jù)0相同，與DATA1上的數(shù)據(jù)1不同，通過這種比較 Master1退出了對總線的控制，而Master2所發(fā)送的數(shù)據(jù)都是正確的，完成仲裁。

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