什么是I2C通信协议

I2C是一种串行，同步，多主机，板对板，半双工通信协议。顾名思义，它主要用在PCB内部通信。飞利浦半导体与1982年发明此协议，目标是使用更少的引脚通信。它只使用2条线通信。因此，也被称作双线协议。I2C支持主从配置。

图1 多个从机一个主机通过总线连接

硬件接口

I2C的物理接口有两根线：SDA和SCL。SCL是时钟信号，SDA是数据信号。I2C驱动是开漏的，这就意味输出要么接地，要么是高阻抗，不可能是逻辑1.高阻抗状态是输出无连接，浮动的状态。一对外部电阻分别接在SCL和SDA，当输出是高阻态时，拉高。这种开漏配置可以防止线路短路，连接在一起的主设备和从设备不会产生冲突的电压。

图2 开漏驱动

时钟和数据的输入端缓冲器读总线的状态，MOSFET控制总线上写操作。

I2C总线有不同的模式，数据传输的速率不同。

需要注意的是，这些比特率是总线上数据传输速度，而不是设备处理速度。

数据帧

I2C协议在主从配置中运行，因此，总线的读写权限由主设备控制。主设备决定哪个从设备接收或发送数据。I2C专有的数据帧可以与最多128个设备通信。

图3 I2C数据帧

启动

在通信的空闲状态，SDA和SCL被拉高。启动通信时，在SCL为高时，将SDA拉低，并通知总线上的从设备准备通信。

从机寻址

启动后，主机发出一个7位的地址，指定通信的从机。总线上的所有设备都读取那个地址，具备那个地址的从机对主机的请求作出响应。

读/写操作

7位地址后时读写控制位，1表示读操作，0表示写操作。读/写决定谁将接管SDA总线进行数据传输。读/写操作是从主机的角度操作。

l 读操作：主机接收从机发来的数据。

l 写操作：主句发送数据给从机。

注意，是主机生成SCL信号对SDA采样。

应答/无应答

为了检测从机是否连接到总线或是否繁忙，主机等待从机的确认信号。比如，主机等待从机在第9个时钟拉低SDA。如果符合上述条件，主机收到确认信号。如果在第9个时钟，SDA还是高电平，那么就是未确认。这种机制是主机可以检测从犯是否在线。确认信号的另一个作用是确保从机接收的数据无误。

数据

主机收发的数据是通信的实际数据。

写操作

首先，主机通过发送一个7位地址寻址从机。如果从机在线，为传输做好准备。然后，主机发送W位通知从机，主机将接手SDA，并发送数据给从机。下一个时钟，主机等待从机的确认信号，接着主机每个时钟发送一位数据。

读操作

如何主机想从从机接收数据，它在总线上寻址后，发送R位，然后等待从机的确认信号。当收到从机的确认信号后，从机接管SDA，发送数据给主机。

I2C比UART的优点之一是通信由主句控制。在所有数据传输完成之前，不需要重新初始化通信，意味着每个数据帧可以传输的比特数没有限制。比如：如果主机要对从机写一个32位的数据，没必要启动和结束4次通信，每次8位。从机每次确认后，另一个8位数据可以继续发送给从机。与UART不同，I2C节省了每个数据帧的启动和结束的开销。但是在需要切换读写模式时，就必须先结束数据帧。

除了减少比特位数，确认和不确认也作为I2C总线的错误检查机制。在写模式下，如果主机收到不确认信号，就会重新发送数据给从机。在读模式下，如果主机收到不确认信号，就丢弃收到的数据。

停止条件

传输完成后，在SCL为高时，主机将SDA从低改为高表示停止。完成传输，通信返回空闲状体。

这样，我们完成I2C数据帧所有部分的了解。I2C提供了一些非常棒的功能，有助于创建强健的系统。这些特性不是所有的I2C设备都支持，需要注意。

时钟拉伸

如前所述，设备支持的I2C通信速率不一定时设备的数据处理速度。那么如果主机向从机请求一些数据，而数据还没准备好，该怎么办呢？由于主机希望在下一个时钟收到确认信号，如果从机拉低SDA失败，主机就认为通信失败。为了克服这种通信限制，从机使用时钟拉伸，通知主机需要更多的时间处理数据。从机通过拉低SCL来实现这点，因为I2C在SCL的上升沿采样数据，拉低SCL会停止通信。不是所有的I2C设备都支持时钟拉伸，需要根据数据手册来判断。这有时也会出现问题，如果从机发生故障，拉低了SCL，整个总线停止，主机和其他从机也无法通信。

图4 时钟拉伸

总线仲裁

I2C总线支持多个主机，可以与连接到总线的所有设备通信。连接在总线上的主机不断监视SCL和SDA的启动，停止状态，保持挂起传输直到总线再次释放。这就是在同一总线并发操作的方式，但是会出现两个主机同时发起传输的情况。为了避免这种情况，总线上的主机总是不停监视SDA是否被其他主机拉低。如果一个主机检测到SDA为低，就是有其他主机占用，那么就结束传输。这个过程被称为总线仲裁。

图5 总线仲裁

如图5所示，主机A和B同时发起数据传输。然而，主机B设法将SDA拉低，而主机A想把SDA拉高。这个冲突被主机A检测到，它失去仲裁，不再控制SDA线。

权衡：功耗和速度

更高的比特率对现代通信系统至关重要。更快的处理数据需要更快的从从机那里取得数据。I2C支持3.2Mb/s的速率。这意味着I2C总线在高低电平间每秒切换320万次。由于PCB走线和通信用的线束的高电容，使得高速切换变得困难，时钟的上升时间也增加了。上升时间是从逻辑低到逻辑高所花的时间。下图是不同电容，上升时间的差异。