1 I2C主模式功能描述

I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，多用于连接微处理器及其外围芯片。I2C接口只有2根信号线，总线上可以连接多个设备，硬件实现简单，可扩展性强。I2C接口主要用于通信速率要求不高，以及多个器件之间通信的应用场景。

2 I2C总线物理结构

I2C属于同步通信，SDA为数据线，SCL为时钟线。SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线负责传输数据。I2C 的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。I2C是一种多设备总线，一根I2C总线上可以挂载多个设备。例如，STM32F103开发板上的I2C总线通信系统所示，它连接了两个I2C设备，一个是EEPROM器件24C02，另一个是加速度计和陀螺仪传感器芯片MPU6050。理论上任何一个设备都可以作为主机，但是同一时刻只能有一个主机，我们的课程肯定是STM32作为主机了。

总线上挂的多个设备，每一个都像手机一样有自己唯一的地址，在通信过程中，通过设备唯一地址便可以正常找到想要通信的设备，就像我们想给他人打电话的时候，必须要知道他的手机号码一样。

图2.1 MPU通过I2C总线与器件连接示意图

2.1 数据线SDA与时钟线SCL

如上图2.1所示，MCU与它的所有从设备共同连接在SDA和SCL总线上。其中SDA线负责传输实际的数据，而SCL线则像节拍器一样，提供同步的时钟信号，确保数据在正确的时刻被读取。图中每个器件都有一个唯一的地址（如 0xA0、0xD0），当MCU需要与某个器件对话时，会先通过SDA线广播这个地址，只有地址匹配的器件才会响应，这就实现了在共享总线上的精准寻址。

硬件连接方面，MCU和所有从设备接口均需设置为开漏输出模式，并配合上拉电阻。

时钟信号SCL是由主设备控制的，I2C通信有标准模式和快速模式，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式传输速率为400kbit/s。。

两个关键名词：

释放总线-指设备输出高阻态，此时不影响总线；
拉低总线-指设备输出低电平。

2.2 逻辑线与

I2C通信中，SCL和SDA由主设备和所有连接的从设备共同构成逻辑线与的关系。

总线电平由所有设备共同决定，遵循"线与"逻辑（任一设备拉低则总线为低，所有设备释放则总线为高）

通过线与的逻辑，不难分析下数据是如何传输的。我们已经知道，所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平，而任何一个器件输出一个低电平，那这条线就会变成低电平。任何一个设备都可以做到拉低电平，所以说，所有设备都有成为主机的可能，但一般情况下，STM32都是作为主机使用。

3 I2C总线通信协议

I2C通信总是由主机启动，每个通信过程由起始信号开始，由停止信号结束。一个数据包有8位，每个数据包后有一个应答位(ACK)或非应答位(NACK)。例如，主设备向从设备发送1字节数据的时序图如下。为了便于大家更好的了解IIC协议，我们从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、数据传输以及空闲状态等6个方面讲解

I2C总线时序图
图3-1 I2C传输1个字节时序图

3.1 起始信号

I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿，表示起始信号。起始信号只能由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。

3.2 数据传输

I2C通信是高位在前，低位在后。I2C是同步传输，需要按照时序的要求工作，SCL在低电平的时候，SDA允许变化，也就是说，发送方必须先保持SCL是低电平，才可以改变数据线 SDA，输出要发送的当前数据的一位；而当SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，因为这个时候，接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1，因此要保证SDA的稳定，如图 3-1中的每一位数据的变化，都是在SCL的低电平位置。8位数据位后边跟着的是一位应答位，应答位我们后边还要具体介绍。

3.3 停止信号

I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿，表示停止信号。停止信号只能由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。

3.4 应答信号

发送设备每发送一个字节，就在第9个SCL时钟周期释放数据线，由接收设备反馈一个应答信号。若在SCL的第9个周期采集的SDA为低电平，就是应答信号ACK，如果采集的SDA是高电平，就是非应答信号NACK。
观察图片可以发现，有效应答的要求是接收设备在第9个SCL时钟脉冲之前的低电平期间
将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。

3.5 空闲状态

IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时所有设备处于高阻态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

在一次I2C通信过程中，可以传输多字节的数据。主机启动I2C通信后，发送的第一个字节是目标设备地址，后面再发送或接收的数据由具体器件的指令定义决定。I2C通信协议只是定义了基本的数据传输时序，可以使用MCU的硬件I2C接口实现，也可以用普通GPIO引脚的输入输出模拟I2C通信时序，即软件模拟I2C接口。

4 小结

I2C总线有如下的特点：

I2C总线只有两根信号线，SDA是双向串行数据线，SCL是时钟信号线，用于数据收发的同步；
I2C总线上可以挂载多个设备，一般有一个主设备、多个从设备。MCU一般作为主设备，外围器件作为从设备。在I2C通信协议中，主动发起通信的器件就是主设备，被动进行响应的器件就是从设备；
主设备发起通信时，会首先发送目标设备地址，只有地址对应的从设备才会做出响应；
I2C总线的两根信号线有上拉电阻。当I2C器件空闲时，其输出接口是高阻态。当所有设备都空闲时，I2C总线上是高电平；
I2C通信有标准模式和快速模式，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式传输速率为400kbit/s。