I2C通讯协议(Inter－Integrated Circuit)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，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。实现I2C需要两根信号线完成信息交换，SCL时钟信号线，SDA数据输入/输出线。它属于同步通信，由于输入输出数据均使用一根线，因此通信方向为半双工。I2C的数据传输速率位于串口和SPI之间，大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。使用I2C传输数据会有一些额外消耗：每发送8bits数据，就需要额外1bit的元数据（ACK或NACK）。

一、物理层特点

1、支持多设备（支持多个主机及多个丛机）的总线（总线：多设备共用的信号线）；

2、两条总线：双向串行数据线（SDA）：用来表示数据、串行时钟线（SCL）：用于数据收发同步；

3、每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过这个地址进行不同设备之间的访问；

4、一般SDA总线有一个上拉电阻（当I2C设备空闲时，一般为高阻态，总线默认是高电平）

5、多个主机同时使用总线时，由仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

二、协议层

协议层定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

1、I2C的基本读写过程

• 主机写数据到丛机：

（1）主机向丛机传输开始信号、广播丛机地址（7位）、读写方向位（写）（找到丛机位置，并告诉丛机：我要开始传输数据了）。

（2）丛机向主机传输应答（ACK）信号（丛机告诉主机：我准备好接收数据了）。

（3）主机向丛机传输数据（DATA）（主机开始传输数据）。

（4）丛机向主机传输应答（ACK）信号（丛机告诉主机：可以继续传输数据）/非应答（NACK）信号（丛机告诉主机：不要再传数据了）。

（5）主机向丛机传输停止（P）信号，主机停止传输数据，丛机停止接收数据。

串行数据总线上信号传输如下（从左往右为先后顺序、绿色：主机向丛机传输、蓝色：丛机向主机传输）：

开始信号、广播丛机地址（7位）、读写方向位、应答（ACK）信号、数据（DATA）、应答（ACK）信号、数据（DATA）、非应答（NACK）信号、停止（P）信号

• 主机由丛机中读取数据：

（1）主机向丛机传输开始信号、广播丛机地址（7位）、读写方向位（读）（找到丛机位置，并告诉丛机：我要开始读取数据了）。

（2）丛机向主机传输应答（ACK）信号（丛机告诉主机：我准备好传输数据了）。

（3）丛机向主机传输数据（DATA）（从机开始传输数据）。

（4）主机向从机传输应答（ACK）信号（主机告诉从机：可以继续传输数据）/非应答（NACK）信号（主机告诉从机：不要再传数据了）。

（5）主机向从机传输停止（P）信号，主机停止接收数据，丛机停止传输数据。

串行数据总线上信号传输如下（从左往右为先后顺序、绿色：主机向丛机传输、蓝色：丛机向主机传输）：

开始信号、广播丛机地址（7位）、读写方向位、应答（ACK）信号、数据（DATA）、应答（ACK）信号、数据（DATA）、非应答（NACK）信号、停止（P）信号

• 通讯复合格式（如：写、读复合）：

写：

（1）主机向丛机传输开始信号（S）、广播丛机地址（7位）、读写方向位（写）（找到丛机位置，并告诉丛机：我要开始 发送 数据了）。

（2）丛机向主机传输应答（ACK）信号（丛机告诉主机：我准备好接收数据了）。

（3）主机向从机传输数据（DATA）（主机开始传输数据）。

（4）丛机向主机传输非应答（NACK）信号（丛机告诉主机：不要再传输数据了）。

读：

（5）主机向丛机传输重复开始信号（Sr）、广播丛机地址（7位）、读写方向位（读）（找到丛机位置，并告诉丛机：我要开始读取数据了）。

（6）丛机向主机传输应答（ACK）信号（丛机告诉主机：我准备好传输数据了）。

（7）丛机向主机传输数据（DATA）（从机开始传输数据）。

（8）主机向从机传输非应答（NACK）信号（主机告诉从机：不要再传数据了）。

（9）主机向从机传输停止（P）信号，主机停止接收数据，丛机停止传输数据。

串行数据总线上信号传输如下（从左往右为先后顺序、绿色：主机向丛机传输、蓝色：丛机向主机传输）：

开始信号（S）、广播丛机地址（7位）、读写方向位（写）、应答（ACK）信号、数据（DATA）、非应答（NACK）信号、重复开始信号（Sr）、广播丛机地址（7位）、读写方向位（读）、应答（ACK）信号、数据（DATA）、非应答（NACK）信号、停止（P）信号

2、通讯的起始和停止信号（起始信号一般由主机产生）

（1）起始信号：SCL（高电平）、SDA（下降沿：高电平—>低电平）

（2）停止信号：SCL（高电平）、SDA（上升沿：低电平—>高电平）

3、数据有效性

SCL为高电平时，SDA的数据才有效，高电平为数据“1”，低电平为数据“0”；

SCL为低电平，SDA的数据无效。一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。

4、地址及数据方向

（1）I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发送通讯时，通过SDA信号线发送设备地址来查找丛机。设备地址可以是7位或10位。

（2）紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，数据方向位为“1”时表示主机由丛机读数据，该位为“0”时表示主机向丛机写数据。

丛机地址（7/10位）+读写位

5、响应（谁发送数据，谁控制SDA；谁接收数据，谁要应答）

I2C的数据和地址传输都带响应：应答（ACK）、非应答（NACK）

传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号（NACK），低电平表示应答信号（ACK）。