I2C总线的电平逻辑

一、概述

IIC-BUS，是 Inter-Integrated Circuit Bus 的缩写，顾名思义，简单、方便地连接各种外设芯片，一种双向2线制同步串行总线。

二、基本特征

基本特征如下：

串行(只有一根数据线，只能一位一位 bit 发送和接收)

同步(两边使用共同的时钟线：无论是接收还是发送数据，时钟都是由主机提供)

单端(区别于差分信号，数据线使用绝对电平作为 0 或者 1 的区分)

双向(半双工，同一时间只能接收或者发送)

主从(Master/Slave，只能由主机发起通信请求，从机只能响应)

总线(Bus，一条通信链路可以接多个设备)

三、电路连接和配置

一般的电路连接如下所示：

右图中可知，设备间连接至少需要三根线：SDA(串行数据线)、SCL(串行时钟线)和 GND(地)。

需要注意的是，无论是主机还是从机 SDA 和 SCL 的引脚，都需要配置成 漏极开路(OD：Open drain，存在于MOS管中)或者 集电极开路的(Open Collector，存在于三极管中)的形式：

这个特征需要我们在嵌入式系统中使用 IIC 时需要考虑两个点：

硬件设计时，两根信号线都需要增加上拉电阻

软件设计时，单片机的 GPIO 端口要配置成漏极开路(OD：Open drain)模式，效果就是：导通时会将总线电压拉低到地，不导通时就是高阻态，等效于一个阻值超级大的电阻，相当于分压很大，不影响信号线的电平)

这样的电路设计其实是为了实现 线与 功能，线与的意思就是 逻辑与，对应到这里的的电路是：所有设备不拉低才为高，只要有一个设备拉低就会将总线拉低。

四、优点

只需要2根信号线(节约 PCB 板面积、引脚、成本等，都是钱呀)

协议简单(当然是相对于 USB、以太网等协议)

协议容易实现(硬件电路比较简单)

支持的器件多(硬件 IIC 功能是现在单片机的标配，当然一些低端的 8 位单片机可能没有，但也能使用 GPIO 模拟实现) 。

总线可以同时挂载多个器件 (这就是总线的优势了)

总线电气兼容性好(对于常用的 5V、3.3V都支持，就看你上拉电阻选择哪一个了)

速率较高(100kbps ~ 400kbps ~3.4Mbps，其实这个速率只能算一般吧)

距离较远(几米，降低速率~十几米，不过一般都是比较近的使用场景，为了保证信号的准确性，远距离会选择具有差分信号的信号线)

五、I2C 总线的电平逻辑

I2C 是电平有效的(SPI 则是边沿有效的)，也就是说：在传输数据的过程中，在 SCL 为低电平时，数据线 SDA 的电平发生变化，在 SCL为高电平时，SDA 的电平保持不变(这个时候的电平就是通信的数据位)。

当然，也有特殊情况，在 I2C 总线开始和结束数据传输时，SDA 在 SCL 为高时变化，这正好能够区分是传输数据还是起始结束信号。

5.1、起始与结束信号

如图所示，

起始位：

当SCL处于高电平时，SDA从高电平向低电平跳变，产生“起始”位。 总线在起始条件产生后便处于忙(Busy)的状态。可将“起始”位简记为S。

停止位：

当SCL处于高电平时，SDA从低电平向高电平跳变，产生“停止”位。 总线在停止条件产生后处于空困状态。可将“停止”位简记为P。

5.2、通信数据帧

 

灰色方块表示主机控制 SDA 数据线发送数据，白色方块表示从机控制 SDA 数据线给主机应答或者响应数据给主机。

SA(Slave Address) 为从机地址，主机不需要地址，但是从机必须要有个地址，因为总线连接多个设备时需要用地址区分，同时设备也只响应针对自身地址的通信，其中总线的从机地址位为 7 bits，即只可以连接 128 个从机设备。(值得说明的是，大多数 I2C 从机设备会将这7位固定好几位，这样有能够减少设备的引脚数的优势，这个看手册的说明即可)

5.3、高阶知识

重复起始(Repeated Start)

上图中的 Sr 为重复起始 (Repeated Start)

I2C 通讯中，有时需要切换数据收发的方向，例如 I2C 设备是个EEPROM 存储器时，要读 EEEPROM ，需要先写入地址(主->从)，再读取数据(从->主)， 此时无需给出停止位，然后再给开始位，而是直接再产生一次开始位，就可以了，称为“重复起始位，记为 Sr。这样做的好处是提高了通信的效率。

I2C 从设备子地址

我们知道，有一些 I2C 器件，除了器件自身的 I2C 地址SA外，其内部还有若干个单元可被访问，相应具有子地址(寄存器)，

比较典型的是 EEPROM 存储器等，子地址可以是 1字节~N字节，主机可以发送数据来对子地址进行控制。下面我们来探讨两种情况：对从设备的寄存器写入数据和对读取从设备某些寄存器的值。

如下图所示，

主机先发送从机的 IIC 地址和写标记，接着紧跟寄存器的地址，然后跟着发送该寄存器的数据，完成对指定寄存器的写入操作。

如下图所示，

主机发送从机的 IIC 地址和写标记，然后发送所要读取寄存器的地址值，然后发起一次重启读操作，从设备回应数据，完成一次对从设备某个寄存器值的读取操作。

(值得说明的是，为什么要启动一次 Sr 重启操作呢?因为一次通信只能有一个方向，读或者写，若要转换方向，那必须重新发起)