一、什么是I2C協議

I2C是由Philips開發的簡單的雙向兩線總線，在深入淺出理解SPI協議中，我們區分了單工，半雙工，全雙工協議數據流向的區別，根據特征，I2C協議屬于半雙工協議（即同一時刻，數據單向流動）。此外，I2C也是一種可以多主設備，多從設備的總線協議，通過地址索引,I2C可以使能所需從設備，I2C的出現主要是用來實現不同集成電路組件之間的控制功能，比如通過I2C協議，連接MCU與LCD驅動器，遠程I/O口，RAM，EEPROM或數據轉換器。

二、I2C,SPI,UART協議的區別

作者按照順序，依次完成了UART，SPI，I2C協議，因為這三種協議都屬于低速通用協議接口，因此作者將這三種協議放在一塊進行比較，誠然，這些協議經過數十年的發展，衍生出了很多新版本，擁有了很多新特性，但他們的基本通信方式沒變，因此我們僅比較他們的基本版本，得到如下表格，當然特性太多，也未必絕對準確，僅供初學者參考。

重點解釋一下UART，SPI，I2C這三個協議的選通方式，作者覺得很有意思。

對于UART來說，正常來說是沒有辦法滿足一個主設備，多個從設備的通信，它的通信方式最為簡單，最低只需要一根線即可完成通信，協議本身并不允許外接多個從設備，但是我們也可以通過比如485轉接、增加二極管的方式來進行多從設備選擇（電路層面的設計內容，不是數字IC需要考慮的內容）。

其次是SPI協議，它有一個專門的NSS端口，默認拉低來選擇所需的從設備。

最后是I2C協議，每個主設備和每個從設備都對應一個地址，通信的時候先發送地址信號，若一致，則被選中。

三、I2C的信號線

I2C僅需要兩根信號線即可完成通信，如下圖所示。除此以外，I2C的信號線需要連接上拉電路，有關上拉電阻的大小，是電路設計工程師需要操心的事，不歸Digital IC Design Engineer管，就不在這里贅述了。

SDA（Serial Data） ：串行數據線，用來傳輸數據信號。

SCL（Serial Clock）：串行時鐘線，用來傳輸時鐘信號，一般是主設備向從設備提供。

四、I2C的連接方式

I2C的連接的連接形式非常靈活，可以是單主設備，單從設備，也可以是單主設備，多從設備，還可以是多主設備，多從設備。

4.1 單主設備，單從設備

4.2 單主設備，多從設備

4.3 多主設備，多從設備

五、I2C的數據傳輸格式

5.1 空閑位

空閑時SDA與SCL默認都是高電平，對應于主設備狀態機IDLE（默認態）時的輸出為高

5.2 起始位

SCL為高電平的時候 ，主設備控制SDA從1到0，為起始位，進入起始位后，SCL按照始終的要求進行翻轉

從設備接收到起始位信息，狀態機發生跳變，等待地址信號的輸入

從設備在這里需要使用到下降沿檢測電路，作為狀態機跳變的控制信號，詳情可參考作者之前的文章。【數字IC手撕代碼】Verilog邊沿檢測電路

5.3 地址位與讀寫控制

主設備按照從高到低的順序，依次發送地址位，從設備進行接收，通常情況下，地址位為7bit，讀寫選擇為1bit。每個從設備有且只有一個唯一的地址編號，依靠著這個編號，確定主設備具體與哪一個從設備進行通信。

同時，為了確保采樣時信號穩定，對于主設備，我們在下降沿的時候將信號放在SDA上，對于從設備，我們在上升沿的時候進行采樣。

對于讀寫控制位來說如果主設備需要將數據發送到從設備，則該位設置為 0；如果主設備需要往從設備接收數據，則將其設置為 1 。即寫為0，讀為1。

5.4 應答位（ACK/NACK）

發送了標題為5.3的8bit后，主機釋放對SDA的控制權，由于上拉電阻的作用這個時候SDA默認為高電平，從機接管SDA的控制權，假如從機正確的接收了數據，會將SDA拉低，假如沒有正確的接收數據，在從設備的控制下，SDA依舊為高電平。

讀者在這里會發現，同一個SDA，怎么主設備也能控制，從設備也能控制呢？這里涉及到了inout雙向端口的相關問題，可以參考作者的這篇文章進行解讀和理解通俗易懂的帶你解讀inout雙向端口

5.4.1 正確接收數據（ACK）

正確接收，SDA由從設備拉低

5.4.2 未正確接收數據（NACK）

未正確接收，SDA依舊為高電平

5.5 數據位

當我們成功收到ACK信號后，就可以正式傳輸數據位了，每一次默認傳輸一個字節（即8bit），每個字節的傳輸都需要跟一個應答位（ACK/NACK）

5.6 停止位

SCL先拉高，在SCL為高電平的時候，SDA從低到高，即為停止位，此后，I2C協議重新進入到空閑狀態。這里使用了上升沿檢測電路，原理同起始位的下降沿檢測電路

5.7 總結

首先為起始位S(start)，接著傳輸地址7位SLAVE ADDRESS和1位讀寫控制信號R/W,再往后8位8位的傳輸數據位，每個字節緊跟ACK信號，最后為停止位

所有的陰影部分，都是主設備在操作總線，而A對應的ACK，則為從設備在操作總線。

六、I2C可配置變量

6.1 傳輸模式

標準模式(Standard)：100kbps

快速模式(Fast)：400kbps

快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps

高速模式(High-speed)：3.4Mbps

超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（單向傳輸）

提起不同速度的傳輸模式，讀者首先想到的可能是指SCK的頻率，這沒有錯，但是絕不僅限于此，為了獲得更高的傳輸速率，除開芯片設計工程師外，電路的設計人員需要認真思考諸如“負載電容，上拉電阻的大小”等更偏向于電路設計或模擬設計的內容。

6.2 地址位寬

標準I2C：七位尋址

擴展I2C：十位尋址

每個主設備或者從設備都能對應一個唯一的地址，大多數情況下，7位的地址，已經夠用了。但是也可以對其進行擴展，轉變為10位地址，多出來的3位地址相當于提供了8倍潛在設備數量，同時，按照NXP2021版的I2C協議規定，10位地址的從設備，和7位地址的從設備，都可以掛在一個總線上，彼此相互兼容，不過，客觀來講，10位尋址的I2C不常用，7位尋址的I2C協議就足夠大家日常使用了。

6.3 設備地址

每個主設備與從設備需要設置互不相同的七位地址或十位地址。

等等等等

七、I2C的仲裁機制

7.1 SCL同步問題

總線天生帶線與邏輯，即總線的幾個輸入端，任意有一個拉低，總線表現為低電平，全部位高電平時，總線才是高電平，真值表如下所示。

假設有兩個主設備都想拉低SCL信號，Master1先拉低 ，Master2后拉低，那么SCL會按照CLK1的時間來拉低自身（線與邏輯的應用），而假如Master1先拉高，Master2后拉高，SCL又會按照CLK2的時間來拉高自身。

因此：當多個節點同時發送時鐘信號時，在總線上表現的是統一的時鐘信號。這就是SCL的同步原理

7.2 SDA仲裁問題

設想一種多主設備，多從設備的情況

假如在空閑狀態時，兩個主設備先后想要操控I2C總線（相隔時間很短），I2C豈不是會發生錯誤（數據紊亂等），如何解決這個問題呢？

我們可以采取仲裁機制，同樣應用到總線的線與邏輯，在箭頭所指的位置，SCL上升沿到來，對SDA上的數據進行采樣，結果為0，與DATA2上的數據0相同，與DATA1上的數據1不同，通過這種比較 Master1退出了對總線的控制，而Master2所發送的數據都是正確的，完成仲裁。

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