I2C通信协议及其工作原理

"也许你听说过I2C，或者你也正在使用I2C，但你有没有了解过什么是I2C？I2C是如何工作的？让我们一起了解一下什么是I2C？以及它的工作原理吧！"

什么是I2C

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种使用多主从结构的串行通信总线。它是由飞利浦在20世纪80年代初设计的。I2C对于主板、嵌入式系统或手机和外围元件之间的通信是很方便的。由于其简单性，I2C被广泛用于微控制器和传感器、显示器、物联网设备、EEPROM等的通信。I2C由两条线组成，SCL和SDA，这两条数据线需要连接到上拉电阻，当总线处于空闲状态时，SCL和SDA处于高电平，I2C总线按照一定的协议工作。

接下来，让我们看一下I2C协议。I2C支持多个从属设备，也就是说，多个I2C从属设备可以连接到一个I2C控制器上。这些不同的I2C从属设备有不同的设备地址，这样I2C主控制器可以通过I2C设备的设备地址访问指定的设备地址，一条I2C总线连接多个I2C设备，如图所示：

SDA和SCL链接必须连接到一个上拉电阻，通常是4.7KΩ。其余的I2C从机与SDA和SCL线相连接，这样就可以通过SDA和SCL线访问多个I2C设备。

I2C的特点

1. 只需要一条数据线SDA和一条时钟线SCL，SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向的I/O线

SCL（串行时钟）：串行时钟线，用于传输CLK信号，一般由主设备提供给从设备

SDA（串行数据）：串行数据线，传输通信数据

2. 实现真正的多主总线，任何设备都可以同时作为主设备和从设备，但同时只能有一个主设备

3. 可以通过外部连接进行检测，便于系统故障诊断和调试

4. 连接在同一总线上的IC只受限于总线的最大电容，串行8位双向数据传输比特率在标准模式下可达100Kbit/s，在快速模式下可达400Kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。

5. 总线上消耗的电流非常小。因此，在总线上扩展的设备数量主要由电容性负载决定，它可以抵抗高噪音干扰。增加一个总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离可以达到15米；兼容不同电压等级的设备，工作温度范围广

6. 接口电路是一个开路输出。它需要通过一个上拉电阻连接到电源VCC。当总线处于空闲状态时，两条线都是高电平。连接到总线上的外部器件是CMOS器件。输出端也是一个开路电路。

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数据传输

主设备和从设备遵循以下协议格式进行数据传输。数据在主设备和从设备之间通过SDA数据线传输0和1的串行数据，一个串行数据序列的结构可以分为：

起始位

地址位（7bit或10bit）。

读和写位（1bit）

响应位（1bit）

数据位+响应位（数据位8bit；响应位1bit；数据+响应可反复多次传输，直至遇到停止位）

停止位

启动位

当主设备决定开始通信时，它需要发送一个启动信号，并需要进行以下操作

首先，将SDA从VOH切换到VOL

然后将SCL从VOH切换到VOL

在主设备发出信号和启动条件后，所有的从属设备即使在睡眠模式下也会变得活跃，并等待接收一个地址位。

地址位

地址位支持7位和10位，如果主站需要向从站发送/接收数据，必须先发送地址，然后从站才会对应，再与安装在总线上的从站地址相匹配。

响应位

响应位有2种类型：

ACK：从机正确接收数据或地址位+读写位

NACK：从机不回答，工作不正常。

每次主设备发送数据和读写位时，它将等待从属设备的响应信号ACK。

如果从属设备发来响应位信号ACK

如果没有响应信号NACK，SDA将输出一个VOH，这将导致主设备重新启动或停止

数据位

每次传输的数据总共有8位，由发送方设置，它需要将数据位传输给接收方。

传输后有一个ACK/NACK位，如果接收方成功接收了数据，从属方就发送一个ACK。否则，从机发送一个NACK。

数据可以多次发送，直到收到一个停止位。

停止位

当主设备决定结束通信时，它需要发送结束信号，并需要执行以下操作。

首先将SDA从VOL切换到VOH

然后SCL从VOH切换到VOL

下面是显示完成的I2C时序图：

SCL线的同步化（时钟同步化）

SCL的同步是由于总线线 "AND"（开漏输出）的逻辑功能，也就是说，只要有一个节点发送低电平，总线就会显示为低电平。只有当所有节点都发送高电平时，总线才能出现高电平。正是由于线路 "AND "逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，总线上会显示一个统一的时钟信号，这就是SCL的同步原理。

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SDA仲裁

SDA仲裁

SDA线的仲裁也是基于总线具有线路 "AND "逻辑功能的原则。节点发送1位数据后，比较总线上呈现的数据是否与它发送的内容一致（类似于CAN总线的回读机制），一致继续发送否则退出竞争。SDA线的仲裁可以确保I2C总线系统正常通信，当多个主节点试图同时控制总线时，数据不会丢失。总线系统通过仲裁只允许一个主节点继续占用总线。

仲裁过程

DATA1和DATA2分别是主节点发送给总线的数据信号，SDA是总线上呈现的数据信号，SCL是总线上呈现的时钟信号。当主节点1和2同时发送启动信号时，两个主节点都发送高电平信号，这时，总线上的信号为高电平，两个主节点检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。在第二个时钟周期，两个主节点都发送低电平信号，总线上呈现的信号为低电平，继续发送数据。在第3个时钟周期，主节点1发送一个高电平信号，而主节点2发送一个低电平信号，根据总线的 "AND "线的逻辑功能，总线上的信号是低电平。这时，主节点1检测到总线上的数据与自己发送的数据不同，并断开数据的输出阶段，转向从机接收状态，这样主节点2赢得了总线数据没有丢失，即总线上的数据与主节点2发送的数据相同，主节点1转为从节点后继续接收数据，也没有丢失SDA线。因此在仲裁过程中，数据不会丢失。

小结：SDA仲裁和SCL时钟同步处理不是顺序进行的，而是同时进行的。在实际使用中，I2C很容易出现死锁。有两种常见的情况会发生死锁：

一种情况是，当从属设备回复ACK时，主设备异常复位。

另一种情况是，当从属设备回复的数据位为0时，主设备异常复位。

这两种情况的相同点是，当主设备被异常复位时，SDA处于被从属设备拉低的状态，而SCL在主设备复位后处于VOH（空闲状态）。此时，从设备将等待主设备将SCL拉低，以获取ACK或数据位，而主设备将等待从设备释放SDA线。主设备和从设备互相等待，在空中互相对视，进入死锁状态。

下面是一些解决死锁问题的常用方法：主设备检测到SDA线后，从设备就会释放SDA线。

主设备检测到SDA被拉低超过一段时间后，会主动复位从设备释放SDA。这种方法的前提是，从属设备有一个复位引脚，MCU可以控制从属设备的复位引脚使其复位。

在主设备检测到SDA被拉低超过一段时间后，它向时钟总线推送9个时钟，并占用从属设备的ACK位，这样从属设备就会释放SDA到一个VOH。

在主设备和从设备之间串联一个I2C缓冲器，它可以自动检测死锁情况。当检测到死锁时，它将主动断开与主设备的连接，并向从设备发送9个时钟。在从属设备释放SDA线后，它将重新与主设备建立连接。

I2C死锁问题不能从根本上避免，除了由MCU的异常复位引起的I2C死锁外，在正常的通信过程中，从属设备也可能异常地拉下SDA而引起死锁。因此，当死锁发生时，软件应设计成能够从死锁中恢复，从而使I2C通信能够继续。

CORPORATE CULTURE 时钟拉伸

时钟拉伸

什么是I2C时钟拉伸？在I2C的主从通信过程中，总线上的SCL时钟总是由主站产生和控制，但如果从站不能跟上主站的速度，I2C协议规定从站可以拉低SCL时钟线。传输会暂停，直到从机释放SCL线，然后继续传输。

时钟拉伸是从属设备的一个可选配置。如果不启用，从机不能控制SCL；如果启用，从机可以通过强行将SCL拉低来降低传输速度。在SCL为VOL的期间，主机只能等待从机释放SCL。

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重复启动

有时，主站需要在一次通信中进行多次信息交换，如与不同的从站传输信息，或切换读写操作，而又不想在此期间被其他主站干扰，那么可以使用 "重复启动条件"--在一次通信中，主站可以产生多个启动条件来完成多个信息交换，最后产生一个停止条件来结束整个通信过程。由于在此期间没有停止条件，所以主站一直占据着窃听器，而其他主站无法切换进来。

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下面是UART、I2c和SPI之间的区别

你可能想知道，这三种通信方式中哪一种是最好的？是UART、I2C，还是SPI？

实际是没有最好的通信外设，每个通信外设都有自己的优点和缺点。

因此，用户应该选择最适合他们项目的通信外设。例如，如果你想要最快的通信外设，SPI将是最理想的。另一方面，如果用户想连接多个设备而又不太复杂，I2C将是最理想的，因为它可以连接多达127个设备，而且易于管理。

以下是一些支持I2C通信协议的产品：

Seeeduino XIAO 系列

所有支持I2C、UART或SPI的XIAO系列单片机，这里有链接你可以查看Seeed Studio XIAO系列产品。

以下是XIAO系列的一些特点

拇指大小的外形尺寸，只有20×17.5毫米。专为空间受限的情况而制造。

多达11个可用IO支持多种接口，包括模拟、数字、IIC、UART、SPI等。

强大的内核，性能强大，适合多样化和复杂的应用。

轻松地将XIAO集成到其他板子上，实现大规模生产。

Wio Terminal

Wio Terminal是一个基于ATSAMD51的微控制器，具有蓝牙和Wi-Fi无线连接功能，由Realtek RTL8720DN提供支持，与Arduino和MicroPython兼容。

以下是Wio终端的一些特点

强大的MCU：Microchip ATSAMD51P19的ARM Cortex-M4F内核，运行频率为120MHz。

可靠的无线连接：配备Realtek RTL8720DN，双频2.4Ghz/5Ghz Wi-Fi

完整的系统配备有屏幕+开发板+输入/输出接口+外壳

与树莓派40针兼容的GPIO，可以作为树莓派的外围设备进行安装

支持Arduino、CircuitPython、Micropython、ArduPy（什么是ArduPy）、AT固件、Visual Studio代码

支持USB OTG

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写在最后

I2C(Inter-Integrated circuit)协议是电子传输信号中常用的一种协议。

它是一种两线式串行双向总线，用于连接微控制器和外部设备，也因为它所需的引脚数只需要两条(CLK和DATA)，硬件实现简单，可扩展性强，所以被广泛应用于系统内多个集成电路IC间的通信。

审核编辑：汤梓红