I2C详解（二）

article/2025/11/7 1:58:30

7-bit寻址数据传输

常见的传输方向及格式有如下两种：

主机写数据-从机接收，传输方向不变

要进行数据写入从机，首先主机发送START条件+从机地址+R/W=0(写操作，设置为0)，从机读取到该地址后回应ACK，主机将继续发送需要操作的寄存器地址，从机继续回应ACK，表示从机准备完毕。之后主机发送寄存器的数据（可能是1byte也可能是多个byte），每个byte从机都会回应ACK，发送完成后，主机发送STOP命令，将总线释放，完成写操作。如下图示意：
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主机读数据-从机发送，传输方向改变

读数据与写数据相似，但读数据会多几个步骤。要想从从机读取数据，首先要知道从机地址以及寄存器地址，这两部需要进行读操作来实现，和读操作一致。读操作完成后，主机发送重复开始+从机地址+R/W=1(读操作，设置为1)，从机返回ACK，此时主机释放SDA线转由从机控制，主机读取SDA总线进行数据接收，每发送1 byte数据，主机会响应ACK表示还需要再接收数据。当主机接收完想要的数据后，主机将会返回NACK，告诉从机释放SDA总线，随后主机发送STOP命令，将总线释放，完成读操作。如下图示意：
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10-bit寻址数据传输

采用10位地址位扩充了I2C的地址范围，7位和10位地址设备都可以共存于同一个I2C总线系统。并且可以工作在所有速度模式。当然，目前使用10位地址系统的I2C设备不多。

注：7位和10位地址设备都可以共存于同一个I2C总线系统，因为位地址系统的高5位不可能是11110

10位从机地址由START或者Repeated Start 后两个字节决定。第一个字节的前7位格式为1111 0XX，其中XX代表10位地址最高两位（MSB），第一个字节的第8位代表R/W位。

常见的数据传输格式和7位地址一致，如下示意：

主机写数据-从机接收，传输方向不变

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主机读数据-从机发送，传输方向改变

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时钟同步与仲裁

如果两个master都想在同一条空闲总线上传输，此时必须能够使用某种机制来选择将总线控制权交给哪个master，这是通过时钟同步和仲裁来完成的，而被迫让出控制权的master则需要等待总线空闲后再继续传输。在单一master的系统上无需实现时钟同步和仲裁。

时钟同步（Clock synchronization ）

时钟同步是通过I2C总线上的SCL之间的线“与”（wired-AND）来完成的，即如果有多个主机同时产生时钟，那么只有所有master都发送高电平时，SCL上才表现为高电平，否则SCL都表现为低电平。**SCL总线上低电平时间是所有主机时钟中最长的低电平时间，其高电平时间是所有主机时钟中最短的高电平时间。**

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数据仲裁（Arbitration）

总线仲裁和时钟同步类似，当所有主机在SDA上都写1时，SDA的数据才是1，只要有一个主机写0，那此时SDA上的数据就是0。一个主机每发送一个bit数据，在SCL处于高电平时，就检查看SDA的电平是否和发送的数据一致，如果不一致，这个主机便知道自己输掉仲裁，然后停止向SDA写数据。也就是说，如果主机一直检查到总线上数据和自己发送的数据一致，则继续传输，这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的master不会丢失数据。输掉仲裁的主机在检测到自己输了之后也不再产生时钟脉冲，并且要在总线空闲时才能重新传输。仲裁的过程可能要经过多个bit的发送和检查，实际上两个主机如果发送的时序和数据完全一样，则两个主机都能正常完成整个的数据传输。

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时钟拉伸（Clock stretching）

有时候低速从机可能由于上一个请求还没处理完，无法继续接收主机的后续请求，即主机的数据传输速率超过了从机的处理能力。这种情况下，从机可以进行时钟拉伸来要求主机暂停传输数据。通常时钟都是由主机提供的，从机只是在SDA上读数据或者发数据。
时钟拉伸则是从机在主机释放SCL后，将SCL主动拉低并保持，此时要求主机停止在SCL上产生脉冲以及在SDA上发送数据，直到从机释放SCL（SCL为高电平）。之后主机便可以继续正常的数据传输了。可见时钟拉伸实际上是利用了时钟同步的机制，只是时钟由从机产生。如果系统中存在这种低速从机并且从机实现了时钟拉伸，主机必须能够处理这种情况，实际上大部分从机设备中不包含SCL驱动器的，因此无法拉伸时钟。

保留地址（Reserved addresses）

有两组 0000 XXX and 1111 XXX作为保留地址，详见下表：

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注：7bit 理论可以连接2^7＝128个外设，由于上图16个指令有特殊定义，所以可用的地址为112个。虽然最大的外设节点数目是被地址空间所限制住，但实际上也会被总线上的总电容所限制住，一般而言最大为400 pF。

通用广播地址（General call address）

通用广播地址是为了寻址总线上所有设备。如果一个设备不需要使用广播功能，可以不响应广播。如果设备需要使用广播功能，则它在检测到广播地址后发送响应，并作为从机接收读取总线上发送的数据。主机不知道总线上有多少从机发送响应。总线上所有可以响应广播的从机读取广播地址后的第二个及后面的字节。不能处理这些广播数据的从机通过不发送响应的方式忽略它。同样地，如果有一个或一个以上的从机发送响应，则主机就检测不到总线上其它没有响应的设备。广播消息的含义总是定义在第二个字节。

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有两种可能情况：

最低位“B”为0
最低位“B”为1

“B”为0，第二个字节包括以下定义：

0000 0110（06h）：复位并通过硬件写内容到从机的可编程部分。所有可以响应此类广播的从机，收到此两字节后，进行复位并进入它们地址的可编程部分。注意确保设备在加电后不会将SDA或SCL拉低，因为这些低电平会阻塞总线；
0000 0100（04h）：通过硬件写内容到从机的可编程部分，作用类似（06h），但设备不会复位；
0000 0000（00h）：这个不应该作为第二个字节用。
编程时序参考相应设备的DATASHEET。

“B”为1，两字节广播定义为“硬件广播”。主机在编程后，可以发送既定的从机地址到总线上，构成两字节序列的“硬件广播”。主机可能并不知道总线上从机的地址，它只能通过硬件广播的方式，将自身地址通知给系统。
硬件广播的第二个字节的前七位包括主机的地址。总线上的智能设备如微控制器，读取此地址并接收主机发送的其它信息。如果主机也可以作为从机使用，则以上读取的主机地址实际上也就是（切换主从模式后的）从机地址。在系统中，一种可能是系统复位后设备由主机发送模式切换到从机接收模式，这时由系统主机先告诉硬件主机数据应送往的从机地址，这样当硬件主机发送数据时就可以直接向指定从机（地址）发送数据了。
如下所示：

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该过程操作也比较繁琐，最好的方式是记住每个设备地址，或者主机依次寻址127个从机地址，如果回复ACK说明设备存在，记录下设备地址即可。