通信教程03_I2C简史 基础原理及协议

本教程由作者strongerHuang于2019年09月原创发布。

标签：串口、 I2C、 通信

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1写在前面

本打算先写点UART相关内容，但UART基础知识在前面第一篇文章都简单写过，也相信大家不陌生，这里就不再次赘述。

I2C是目前使用较多的一种总线，一般用于连接各种从设备，比如：EEPROM存储器、温湿度传感器、角速度计等。

额外提一句，初入职场的人有必要学习了解下，掌握I2C算是最基本的技能。  

2I2C简史

1980年，飞利浦公司为了让各种低速设备（飞利浦芯片）连接起来，就开始着手研发通信的总线。

1982年，原始版本，使用了100KHz通信速率，提供7位地址，将总线上的器件数量限制为112（有几个保留地址）。

1992年，发布第一个规范，增加了400kHz的快速模式以及扩展的10位地址空间。

1998年，随着技术的进步，通信速率要求越来越高，达到了高速3.4 MHz，再到后面升级至5MHz，同时使用差分信号以改进抗噪声能力等。

I2C版本历史：

额外说一下SMBus：

1995年，英特尔在I2C基础上推出了一种变体称为“系统管理总线”（SMBus）。SMBus是一种更严格控制的格式，旨在最大限度地提高PC主板上支持IC之间通信的可预测性。

SMBus之间最显着的区别在于它将速度限制在10kHz至100kHz之间，而I2C则可以支持0kHz至5MHz的器件。

3I2C基础内容

I²C：Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成电路之间，是I²C Bus简称。

I2C只需要两根电线，这两根线最多可支持1008个从设备，实现同步串行通信。

与SPI不同的是，I2C可以支持多主机，多从机的总线。

3.1 I2C两线信号

每个I2C总线由两个信号组成：SCL时钟信号，SDA数据信号。时钟信号总是由当前总线主机产生。

与UART、SPI不同，I 2 C总线驱动器是开漏（不了解开漏的请自行百度），意思是它们可以将相应的信号线拉低，但不能将其驱动为高电平。

每条信号线上都有一个上拉电阻，当没有器件将其置为低电平时，将信号恢复为高电平。

3.2 信号电平

通常，I2C总线信号电平5V、3.3V居多，如果总线上器件兼容这两种电平，可以直接使用。

如果信号电压相差很大（5V和2.5V），或者电平不兼容，就需要进行电平转换才行。

4I2C协议

I2C对初学者来说，难点就在于理解其中协议，下面从几个简单角度说一下。

4.1 收发基本原理

I2C的两个总线：SCL时钟信号，SDA数据信号。SCL由主机产生，SDA由主机或者从机产生。

I2C是同步串行通信，同时它属于半双工，也就是说同一时间SDA只能由一个设备发送信号。

这样，你就会发现，SDA上的信号（数据），有时候是主机的，有时候是从机的。

4.2 基本协议：7/10位地址

I2C支持7位地址和10位地址，消息主要分为两种：地址和数据。

7位地址：

10位地址：

除了地址和数据，还有开始条件、停止条件、读写，以及应答信息（上图小字描述）。

4.3 开始和停止

SDA数据线由高 -> 低 为总线开始条件；

SDA数据线由低 -> 高 为总线结束条件；

4.4 应答（ACK）和非应答（ACK）

应答和非应答发生在每个字节之后，是由接收方向发送方发出确认信号，表明“数据”已成功接收，并且可以继续发送下一字节数据。

应答有很多种情况，初学者可以参考协议手册，里面有详细讲述。

I2C协议手册地址：

https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf

我之前结合模拟I2C代码讲述I2C的文章：

更加深入理解I2C总线、协议及应用

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