通俗易懂的I2C协议

I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。
I2C通讯协议因其引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备等优点，被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

I2C由两根信号线完成信息交换，SCL为时钟信号线，SDA为数据输入/输出线。
I2C可支持多从机(Slaver)，也可支持多主机模式(Master)。大部分I2C设备支持100kHz和400kHz模式，某些特殊应用也可以通过设计支持到3.4MHz。

I2C的简单应用主要包括I2C硬件连接和I2C通信协议两方面的内容，本文以常见的通信方式做简单说明。

I2C硬件连接

如下图所示，在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

• SDA, SCL管脚及上拉电阻

• 设备的SDA, SCL管脚采用OD门输出，不同设备间进行线与操作，即“与逻辑”。

• SDA和SCL需要外接上拉电阻，根据总线上的I2C设备数量，系统的通信速度，设计选择不同的上拉电阻。I2C设备数量决定了总线上母线电容的大小，母线电容和上拉电阻限制了系统的通信速率。

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• 通常情况下，3.3V系统上拉电阻取3.3kΩ，5V系统上拉电阻取4.7kΩ。

• 当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

多主机和多从机应用

• 每个连接到总线的从机设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

• 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，可以利用仲裁方式决定由哪个主机设备占用总线。

I2C通信协议

下图以一个主机(Master)给从机(Slaver)写一个字节的数据为例，说明I2C通信的基本协议。

• 起始信号( S )：当SCL是高电平时，SDA从高电平向低电平切换。

• 停止信号( P )：当SCL是高电平时，SDA由低电平向高电平切换。
  
  

• 帧地址：每个从属设备唯一的7位或10位地址，用于主从设备之间的地址识别。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。

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• 读/写位：一位，如果主机是向从机发送数据则为低电平，请求数据则为高电平。

• ACK/NACK：I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。ACK为低电平，NACK为高电平。

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• 数据有效：数据传输时，SCL为高电平时，SDA的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”；当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在此时，对SDA进行电平切换。