I2C协议——物理层和协议层

article/2025/8/16 21:39:12

I2C协议简介

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，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。

1.物理层

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       它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。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。
       一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
       每个连接到总线的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。

总线上的上拉电阻（上拉电阻一般是4.7K）

在I2C总线上，高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0，还有一种状态是高阻态。
高阻态：在之前GPIO工作模式中有个开漏输出，开漏输出中P-MOS管是截止的，可以认为输出的是高阻态，即高阻态可以认为是断开的，所以I2C的GPIO口的工作模式是开漏输出，开漏输出时，设备只能输出低电平，不能输出高电平（输出高电平时实际上输出的是高阻态，由上拉电阻将输出上拉成高电平）。
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       总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时（不需要跟主机或其它设备通信），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（两条总线都拉成高电平）。
       为了防止两个设备短路（如果一个设备3.3V一个设备高阻态，也就是0V，两个设备就会短路），所以I2C通过高阻态输出逻辑1，I2C设备在空闲时和输出高电平时都是输出的高阻态，输出高电平是I2C设备输出高阻态，总线的上拉电阻将总线上拉成高电平。
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       当某个设备（比如EEPROM）输出为0时，其它设备是不能使用I2C总线的，因为总线已经被那个设备（EEPROM）拉低了。

       多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
       I2C具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
       连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

2.协议层

I2C 的协议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。

①I2C基本读写过程

       起始信号产生后，所有从机就开始等待主机接下来广播的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C协议，这个从机地址可以是 7位或 10位。
       在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1时，则相反，即主机由从机读数据。
       从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，
       只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。
主机写数据到从机
       若配置的方向传输位为“写数据”方向，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号§，表示不再传输数据。
主机由从机读数据
       若配置的方向传输位为“读数据”方向，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
通讯复合格式
       除了基本的读写，I2C 通讯更常用的是复合格式，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容的地址。
       通讯复合格式中，主机先向从机发送一个DATA表示要读取的从机地址中的某个存储单元的地址，然后就由从机向主机发送DATA。

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       ②通讯的起始和停止信号

       当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。
       当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。
       起始和停止信号一般由主机产生。

       ③数据的有效性
数据有效性
       I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。 SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。
       SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，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，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

④地址及数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。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。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W非)，第 8 位或第 11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。
设备地址（7位）及数据传输方向
读数据方向时，主机会释放对 SDA 信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

⑤响应

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。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接
收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

响应与非响应信号
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)。