一文搞懂I2C总线通信

• 只需要SDA、SCL两条总线；
• 没有严格的波特率要求；
• 所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址；
• I2C是真正的多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测；
• 传输速度分为四种模式：

1. 标准模式（Standard Mode）：100 Kbps
2. 快速模式（Fast Mode）：400 Kbps
3. 高速模式（High speed mode）：3.4 Mbps
4. 超快速模式（Ultra fast mode）：5 Mbps

• 最大主设备数：无限制；
• 最大从机数：理论上，1008个从节点，寻址模式的最大节点数为2的7次方或2的10次方，但有16个地址保留用于特殊用途。

I2C有16个保留I2C地址。这些地址对应于以下两种模式之一：0000 XXX或1111 XXX。下表显示了为特殊目的而保留的I2C地址。

I2C 节点地址R/W位功能描述0000 0000广播地址0000 0001起始字节0000 001XCBUS 地址0000 010X保留用于不同总线格式0000 011X保留供未来使用0000 1XXX高速模式主代码1111 1XXX保留供未来使用1111 0XXX10位节点地址

I2C还有两个变体，分别专注于系统和电源应用，称为系统管理总线（SMBus）和电源管理总线（PMBus）。

I2C 总线使用连接设备的 "SDA"（ 串行数据总线）和"SCL"（ 串行时钟总线 ） 来传送信息。

解析如下：

• S ：表示开始条件；
• SLA ：表示从机地址；
• R/W#：表示发送和接收的方向。当 R/W# 为“1” 时，将数据从从机发送到主机；当 R/W#为“0” 时，将数据从主机发送到从机；
• Sr ：表示重新开始条件；
• DATA ：表示发送和接收的数据；
• P ：表示停止条件。

如果总线上从机接收数据，在第 9 个时钟周期不响应主机，从机必须发送 NACK。如果总线上主机接收数据，第 9 个周期发送 NACK，从机接收到 NACK，从机停止发送数据。

无论主机还是从机发送了 NACK，数据传送终止。主机可以做下列任一动作：

• 发送停止条件释放总线 ；
• 发送重新开始条件开始一个新的通信。

以华大MCU（HC3F4A0系列）为例，在主机接收模式中，主机输出 SCL 时钟，接收从机数据并返回应答。主机接收数据的运行时序例如下图所示：

在从机发送模式中，接收来自主机的 SCL 时钟，本产品为从机发送数据，并且接收主机返回应答。从机发送数据的运行时序例如下图所示：

解析如下：

3.6、时钟同步/时钟延展

I2C规范没有为时钟同步规定任何超时条件，也就是说，任何器件都可以根据需要保持SCL。

在I2C通信协议中，时钟速度和信号始终由主器件产生。I2C主器件产生的信号提供主器件和节点连接之间的同步。

在某些情况下，节点或子节点不是以全状态工作，在接收主器件生成的时钟之前，需要减慢速度。这是通过一种称为"时钟同步/时钟延展"的机制来实现的。

在时钟同步/时钟延展期间，为了降低总线速度，允许节点压低时钟。而在主器件方面，在其变为高电平状态后，必须回读时钟信号。然后，它必须等待，直至线路达到高电平状态。

通过时钟同步/时钟延展，I2C节点器件可以强制主器件进入等待状态。当节点器件需要更多时间来管理数据时，例如存储接收到的数据或准备发送另一字节的数据时，它可能会执行时钟同步/时钟延展。这通常发生在节点器件接收并确认收到一个字节的数据之后。

是否需要时钟延展取决于节点器件的功能。这里有两个例子：

• 处理器件（如微处理器或微控制器）可能需要额外的时间来处理中断，接收和管理数据，以及执行适当的功能；
• 较简单的器件（如EEPROM）不在内部处理数据，因此不需要时钟延展来执行任何功能。

4、通信时序和协议

说起I2C通信协议必然离不开通信时序，主器件和从节点必须遵守I2C时序规格才能正确传输数据。

下表显示了时序规格表上给出的符号和参数。

符号参数单位fSCLSCL 时钟频率kHztHD(STA)（重复）起始条件的保持时间µstLOW引脚的低电平周期µstHIGH引脚的高电平周期µstSU(STA)重复起始条件的建立时间µstHD(DAT)数据保持时间µstSU(DAT)数据建立时间nstrSDA 信号的上升时间nstfSDA 信号的下降时间nstSU(STO)停止条件的建立时间µs 4.1、起始条件

起始条件总是在传输开始时出现，并由主器件发起。这样做是为了唤醒总线上的空闲节点器件。SDA线从高电平切换到低电平，然后SCL线从高电平切换到低电平。时序和协议如下图所示：

4.2、重复起始条件

在不发出停止条件的情况下，起始条件可以在传输期间重复。这是一种特殊情况，称为重复起始，用于改变数据读、写传输方向、重复尝试传输、同步多个IC，甚至控制串行存储器等。如下图所示：

4.3、地址帧

地址帧包含7位或10位序列，具体取决于可用性（参见数据手册）。如下图所示：

不像SPI协议，I2C没有节点选择线路，因此它需要另一种方法来让节点知道数据正向其发送，而不是向另一个节点发送。这是通过寻址来实现的。地址帧始终是新消息中起始位之后的第一帧。

主器件将其想要与之通信的节点地址发送到其所连接的每个节点。然后，每个节点将主器件所发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，它便向主器件发送一个低电压ACK位。如果地址不匹配，则节点什么也不做，SDA线保持高电平。

4.4、读⁄写位

地址帧的最后一位告知节点，主器件是想要将数据写入其中还是从中接收数据。如果主器件希望将数据发送到节点，则读⁄写位处于低电平。如果主器件请求从节点得到数据，则该位处于高电平。如下图所示：

4.5、ACK⁄NACK位

消息中的每一帧后面都跟随一个应答⁄不应答位。如果成功接收到一个地址帧或数据帧，则从机会向主机返回一个ACK位。如下图所示：

4.6、数据帧

主器件检测到来自从节点的ACK位之后，就准备发送第一数据帧。数据帧总是8位长，并以MSB优先方式发送。每个数据帧之后紧接着一个ACK⁄NACK位，以验证该帧是否已成功接收。主器件或节点（取决于谁发送数据）必须收到ACK位，然后才能发送下一数据帧。时序和协议如下图所示：

4.7、停止条件

发送完所有数据帧之后，主器件可以向节点发送停止条件以停止传输。停止条件是指SCL线上的电压从低电平变为高电平，然后在SCL线保持高电平的情况下，SDA线上的电压从低电平变为高电平。时序和协议如下图所示：

拓展学习：