本文將帶你了解I²C協(xié)議。我們將學(xué)習(xí)I²C協(xié)議背景，硬件層，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實際上如何工作，單個主設(shè)備連接多個從機，多個主設(shè)備連接多個從機，以及如何編程。如果覺得不錯，歡迎關(guān)注、分享、收藏、點贊。希望能幫助到大家，如有錯誤敬請指出，謝謝！

目錄

• 背景
• 硬件層
• 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
• 實際上如何工作？
• 單個主設(shè)備連接多個從機
• 多個主設(shè)備連接多個從機
• 如何編程？
• 總結(jié)

一、背景

I²C（Inter-Integrated Circuit），中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，是由飛利浦公司在1980年代初設(shè)計的，方便了主板、嵌入式系統(tǒng)或手機與周邊設(shè)備組件之間的通訊。由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設(shè)備，EEPROM等之間的通信。

I²C最重要的功能包括：

• 只需要兩條總線；
• 沒有嚴(yán)格的波特率要求，例如使用RS232，主設(shè)備生成總線時鐘；
• 所有組件之間都存在簡單的主/從關(guān)系，連接到總線的每個設(shè)備均可通過唯一地址進(jìn)行軟件尋址；
• I²C是真正的多主設(shè)備總線，可提供仲裁和沖突檢測；
• 傳輸速度；
  • 標(biāo)準(zhǔn)模式：Standard Mode = 100 Kbps
  • 快速模式：Fast Mode = 400 Kbps
  • 高速模式： High speed mode = 3.4 Mbps
  • 超快速模式： Ultra fast mode = 5 Mbps
• 最大主設(shè)備數(shù)：無限制；
• 最大從機數(shù)：理論上是127；

以上是I²C的一些重要特點，下面會進(jìn)一步對I²C進(jìn)行介紹。

二、硬件層

I²C協(xié)議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數(shù)據(jù)線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數(shù)據(jù)線需要接上拉電阻。

設(shè)備間的連接如下所示：

使用I²C，可以將多個從機（Slave）連接到單個主設(shè)備（Master），并且還可以有多個主設(shè)備（Master）控制一個或多個從機（Slave）。

假如希望有多個微控制器（MCU）將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個LCD時，這個功能就非常有用。

I²C總線（SDA，SCL）內(nèi)部都使用漏極開路驅(qū)動器（開漏驅(qū)動），因此SDA和SCL 可以被拉低為低電平，但是不能被驅(qū)動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認(rèn)情況下將其保持在高電平；

上拉電阻的值取決于許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：

具體如下所示：

從上表可知，使用I2C設(shè)備必須在的灌電流下工作，

這里不難發(fā)現(xiàn)需要在做選型需要滿足幾個條件；

?

所以根據(jù)上述公式可以計算，對于5V的電源，每個上拉電阻必須至少具有1.53kΩ，而對于3.3V的電源，每個電阻必須至少具有967Ω。

如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ。

上述推導(dǎo)過程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

最終在調(diào)試的時候，當(dāng)我們測量SDA或SCL信號并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；

當(dāng)然，這并不意味著每當(dāng)灌電流超過3mA時，設(shè)備就會立即停止工作。但是，在操作超出其規(guī)格的設(shè)備時，應(yīng)始終小心，因為它可能導(dǎo)致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設(shè)備。

三、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過一條SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應(yīng)答位，數(shù)據(jù)位，停止條件，具體如下所示；

開始條件

當(dāng)主設(shè)備決定開始通訊時，需要發(fā)送開始信號，需要執(zhí)行以下動作；

• 先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；
• 然后將SCL從高電平切換到低電平；

在主設(shè)備發(fā)送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，并等待接收地址位。

具體如下圖所示；

地址位

通常地址位占7位數(shù)據(jù)，主設(shè)備如果需要向從機發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應(yīng)從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址；

I2C還支持10位尋址；

讀寫位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?/p>

• 如果主設(shè)備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備，則該位設(shè)置為 0；
• 如果主設(shè)備需要往從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則將其設(shè)置為 1 。

ACK / NACK

主機每次發(fā)送完數(shù)據(jù)之后會等待從設(shè)備的應(yīng)答信號ACK；

• 在第9個時鐘信號，如果從設(shè)備發(fā)送應(yīng)答信號ACK，則SDA會被拉低；
• 若沒有應(yīng)答信號NACK，則SDA會輸出為高電平，這過程會引起主設(shè)備發(fā)生重啟或者停止；

數(shù)據(jù)塊

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位，由發(fā)送方設(shè)置，它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗健?/p>

發(fā)送之后會緊跟一個ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則設(shè)置為0。否則，它保持邏輯“ 1”。

重復(fù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)完全傳輸為止。

停止條件

當(dāng)主設(shè)備決定結(jié)束通訊時，需要發(fā)送開始信號，需要執(zhí)行以下動作；

• 先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；
• 再將SCL線從高電平拉到低電平；

具體如下圖所示；

四、實際上如何工作？

第一步：起始條件

主設(shè)備通過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連接的從機發(fā)送啟動條件 ：

第二步：發(fā)送從設(shè)備地址

主設(shè)備向每個從機發(fā)送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應(yīng)的讀/寫位；

第三步：接收應(yīng)答

每個從設(shè)備將主設(shè)備發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則從設(shè)備通過將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位；

如果來自主設(shè)備的地址與從機自身的地址不匹配，則從設(shè)備將SDA線拉高，表示返回一個NACK位；

第四步：收發(fā)數(shù)據(jù)

主設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)到從設(shè)備；

第五步：接收應(yīng)答

在傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備將另一個ACK位返回給發(fā)送方，以確認(rèn)已成功接收到該幀：

第六步：停止通信

為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發(fā)送停止條件；

五、單個主設(shè)備連接多個從機

I2C總線上的主設(shè)備使用7位地址對從設(shè)備進(jìn)行尋址，可以使用128（）個從機地址。

請使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc；

六、多個主設(shè)備連接多個從機

多個主設(shè)備可以連接到一個或多個從機；

當(dāng)兩個主設(shè)備試圖通過SDA線路同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，同一系統(tǒng)中的多個主設(shè)備就會出現(xiàn)問題。

為了解決這個問題，每個主設(shè)備都需要在發(fā)送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平；

• 如果SDA線為低電平，則意味著另一個主設(shè)備可以控制總線，并且主設(shè)備應(yīng)等待發(fā)送消息。

• 如果SDA線為高電平，則可以安全地發(fā)送消息。

  要將多個主設(shè)備連接到多個從機，請使用下圖，其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

七、如何編程？

==Talk is cheap. Show me the code.==

參考了STM32的HAL庫中I2C驅(qū)動，主設(shè)備發(fā)送函數(shù)HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下：

/**
  * @brief  Transmits in master mode an amount of data in blocking mode.
  * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified I2C.
  * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
  *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
  * @param  pData Pointer to data buffer
  * @param  Size Amount of data to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, 
                                          uint16_t DevAddress, 
                                          uint8_t *pData, 
                                          uint16_t Size, 
                                          uint32_t Timeout){
  uint32_t tickstart = 0x00U;

  /* Init tickstart for timeout management*/
  tickstart = HAL_GetTick();

  if(hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY){
    /* Wait until BUSY flag is reset */
    if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK){
      return HAL_BUSY;
    }

    /* Process Locked */
    __HAL_LOCK(hi2c);

    /* Check if the I2C is already enabled */
    if((hi2c->Instance->CR1 & I2C_CR1_PE) != I2C_CR1_PE){
      /* Enable I2C peripheral */
      __HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
    }

    /* Disable Pos */
    hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_POS;

    hi2c->State     = HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
    hi2c->Mode      = HAL_I2C_MODE_MASTER;
    hi2c->ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;

    /* Prepare transfer parameters */
    hi2c->pBuffPtr    = pData;
    hi2c->XferCount   = Size;
    hi2c->XferOptions = I2C_NO_OPTION_FRAME;
    hi2c->XferSize    = hi2c->XferCount;

    /* Send Slave Address */
    if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c, DevAddress, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
      if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
        /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);
        return HAL_ERROR;
      }else{
        /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);
        return HAL_TIMEOUT;
      }
    }

    /* Clear ADDR flag */
    __HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);

    while(hi2c->XferSize > 0U){
      /* Wait until TXE flag is set */
      if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
          /* Generate Stop */
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }else{
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
      /* Write data to DR */
      hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
      hi2c->XferCount--;
      hi2c->XferSize--;

      if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET) 
         && (hi2c->XferSize != 0U)){
        /* Write data to DR */
        hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
        hi2c->XferCount--;
        hi2c->XferSize--;
      }
      /* Wait until BTF flag is set */
      if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
          
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
          /* Generate Stop */
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }else{
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
    }

    /* Generate Stop */
    hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

    hi2c->State = HAL_I2C_STATE_READY;
    hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
    
    /* Process Unlocked */
    __HAL_UNLOCK(hi2c);

    return HAL_OK;
  }else{
    return HAL_BUSY;
  }
}

八、總結(jié)

本文主要介紹I2C的入門基礎(chǔ)知識，從I2C協(xié)議的硬件層，協(xié)議層進(jìn)行了簡單介紹；作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。