I2C的总线协议解析

最近一段时间工作上比较忙，一直没有抽出空来写文章与大家分享，这两天腾出些时间静下心来沉淀一番。看标题大家已经知道了是来总结I2C总线，我相信大家或多或少的都接触过I2C总线，这篇文章我们就由浅入深的仔细来研究研究，看看能不能挖掘些新东西，加深一下理解。

先说概念

I2C英文全称Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成电路之间，也就是我们常说的I方C总线—I2C bus。它是一种串行通讯总线，使用多主从架构，由飞利浦公司（恩智浦NXP的母公司）在80年代开发，用于主板、嵌入式系统连接周边低速设备。

I2C由两条双向开漏线组成，这是一个很大的优势，接线简单。两条线利用上拉电阻将电位上拉。典型电位为+3.3V或+5V。标准传输速率为100Kb/s，低速模式10Kb/s。

物理层

下图为I2C总线的物理拓扑图，大家可以看到一共只有两条总线，一条SDA（serial data）数据线用来承载数据、一条SCL（serial clock line）时钟线用来控制数据收发时序。所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上，SCL都接到了总线的SCL上。每个设备都有自己的唯一地址，以保证设备之间访问的准确性。

I2C总线的物理拓扑图

I2C在物理层的连接可以说是非常简单，这也是它最大的优势，原理就是通过控制SDA和SCL线的高低电平时序，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据传输。在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。

需要注意的是I2C的通讯方式为半双工，因为只有一条数据线，某一时刻只可能单向通讯。这也说明了I2C不适合大数据量的传输应用。

对于主机、从机的区分很简单，发布主要命令的就是主机，接受命令的就是从机，同一条I2C总线允许多个主机的存在。

协议层

作为基础我们先来了解几个重要的小概念。

1、初始状态（即空闲状态）：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；

2、开始信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉低，此为开始信号，表明通讯开始。

3、终止信号：当SCL为高电平的时候，SDA被拉高，此为终止信号，表明本次通讯结束。

到这里大家有没有发现点什么？当SCL处于高电平的时候，SDA电平一旦变化就会是一种信号，要么开始要么是终止。所以在数据传输过程中，SCL处于高电平时，SDA必须保持状态稳定，只有SCL处于低电平时SDA才可以变化。

4、应答信号：当发送器向接收器发送完一个字节/8位数据后，第9个时钟周期内，接收器必须给发送器一个应答信号，这样数据才算传输成功。高电平表非应答，低电平表应答。

我们了解这几个信号状态后，来一步一步看看数据是如何传输的。

1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始信号+设备地址（7位）+读/写（1位）+等待从机应答+寄存器地址（8位）+等待从机应答+要写的数据（8位）+等待从机应答+终止信号。下图为24C02 EEPROM存储器写数据的时序图。

2、写我们见识了，那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图，是不是一目了然了。值得注意的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1。这里说一下为什么最后是NO ACK，在“读”这个操作下，主机为接收器，主机的NO ACK表示停止接收24C02的数据，不然24C02会继续发。

3、我们再读一个长一点的：下图为读取24C02任意地址一个字节数据的时序图。开始信号+设备地址（7位）+写（1位）+等待从机应答+数据地址（8位）+等待从机应答。前面这一步为假写，目的是告诉24C02要读哪个地址的数据。继续，开始信号+设备地址（7位）+读（1位）+等待从机应答+读到的数据（8位）+等待主机（接收机）应答+终止信号。

补点干货

1、设备的地址。I2C设备的地址为8位，但是时序操作时最后一位不属于地址，而是读or写状态位。这就是为什么arduino的SH1106库里操作的地址不是0x7-而是0x3-，因为有用的是前7位，地址整体右移一位处理了。再一个设备地址的前四位是固定死的，是厂家用来表示设备类型的，比如接口为I2C的温度传感器类设备地址前四位一般为1001即9X、EEPROM存储器地址前四位一般为1010即AX、oled屏地址前四位一般为0111即7X等等。

2、I2C接口的致命缺点就是传输距离近同时速度慢。大家在使用I2C总线接口的时候切记不要长线传输，尽量只在PCB板内传输，不然偶尔丢数据甚至读不到数据会让人崩溃，不要问我是怎么知道的，问只有眼泪。

3、关于两线为什么设计成开漏，这个问题我记得我之前在写《STM32单片机I/O的8种工作模式》时给大家埋下过伏笔。今天就来说一下具体原因。主要有两点①防止短路：大家想想如果不设为开漏，而设为推挽，几个设备连在同一条总线上，这时某一设备的某个IO输出高电平，另有一台设备的某一个IO输出低电平，这时你会发现这两个IO的VCC和GND短路了；但是开漏就不会有这个问题，如下图示：

第二个原因是“线与”，我们想个场景：如果总线上的一个A设备将SDA拉高，这时总线上另一个B设备已将SDA拉低，这时由于1&0=0，所以A设备检查SDA的时候会发现不是高电平而是低电平，这就表明总线上已经有其他设备占用总线了，A只好放弃，如果检测是高电平那就可以使用。如下图示为24C02芯片内部图，可以看到状态检测脚。

总结

I2C总线作为一个常见的总线协议，是非常值得我们来仔细研究琢磨的，通透以后我们再使用任意I2C接口的设备时就可以信手拈来了。我一直觉得在学习的过程中，“会使用”不一定就是我们追求的终点，会用的同时把一些更深的东西搞懂搞透会收获意想不到的喜悦。
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