背景

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統或手機與周邊設備組件之間的通訊。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；

沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；

所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址；

I2C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測；

傳輸速度；

標準模式：Standard Mode=100Kbps

快速模式：Fast Mode=400Kbps

高速模式：High speed mode=3.4 Mbps

超快速模式：Ultra fast mode=5 Mbps

最大主設備數：無限制；

最大從機數：理論上是127；

以上是I2C的一些重要特點，下面會進一步對I2C進行介紹。

硬件層

I2C協議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數據線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數據線需要接上拉電阻。

設備間的連接如下所示：

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

假如希望有多個微控制器（MCU）將數據記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個LCD時，這個功能就非常有用。

I2C總線（SDA，SCL）內部都使用漏極開路驅動器（開漏驅動），因此SDA和SCL可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認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：

其中是邏輯低電壓；

是邏輯低電流；

是信號的最大上升時間；

是總線（電線）電容；

具體如下所示：

根據上表，這里不難發現需要在做電阻選擇需要滿足幾個條件；

灌電流 最大值為；

另外I2C總線規范和用戶手冊還為低電平輸出電壓設置了最大值為0.4V

所以根據上述公式可以計算，對于5V的電源，每個上拉電阻阻值至少1.53kΩ，而對于3.3V的電源，每個電阻阻值至少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

最終在調試的時候，當我們測量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；

當然，這并不意味著每當灌電流超過3mA時，設備就會立即停止工作。但是，在操作超出其規格的設備時，應始終小心，因為它可能導致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備。

數據傳輸協議

主設備和從設備進行數據傳輸時遵循以下協議格式。數據通過一條SDA數據線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數據。串行數據序列的結構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，數據位，停止條件，具體如下所示；

開始條件

當主設備決定開始通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；

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；

在主設備發送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變為活動狀態，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位數據，主設備如果需要向從機發送/接收數據，首先要發送對應從機的地址，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

該位指定數據傳輸的方向；

如果主設備需要將數據發送到從設備，則該位設置為0；

如果主設備需要往從設備接收數據，則將其設置為1。

ACK / NACK

主機每次發送完數據之后會等待從設備的應答信號ACK；

在第9個時鐘信號，如果從設備發送應答信號ACK，則SDA會被拉低；

若沒有應答信號NACK，則SDA會輸出為高電平，這過程會引起主設備發生重啟或者停止；

數據塊

傳輸的數據總共有8位，由發送方設置，它需要將數據位傳輸到接收方。

發送之后會緊跟一個ACK/NACK位，如果接收器成功接收到數據，則設置為0。否則，它保持邏輯“ 1”。

重復發送，直到數據完全傳輸為止。

停止條件

當主設備決定結束通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；

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；

實際上如何工作？

第一步：起始條件

主設備通過將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送啟動條件 ：

第二步：發送從設備地址

主設備向每個從機發送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應的讀/寫位；

第三步：接收應答

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

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

第四步：收發數據

主設備發送或接收數據到從設備；

第五步：接收應答

在傳輸完每個數據幀后，接收設備將另一個ACK位返回給發送方，以確認已成功接收到該幀：

第六步：停止通信

為了停止數據傳輸，主設備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發送停止條件；

單個主設備連接多個從機

I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址，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；

多個主設備連接多個從機

多個主設備可以連接到一個或多個從機；

當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發送或接收數據時，同一系統中的多個主設備就會出現問題。

為了解決這個問題，每個主設備都需要在發送消息之前檢測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備可以控制總線，并且主設備應等待發送消息。

如果SDA線為高電平，則可以安全地發送消息。

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

如何編程？

Talk is cheap. Show me the code.

參考了STM32的HAL庫中I2C驅動，主設備發送函數HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下：

/** *@briefTransmitsinmastermodeanamountofdatainblockingmode. *@paramhi2cPointertoaI2C_HandleTypeDefstructurethatcontains *theconfigurationinformationforthespecifiedI2C. *@paramDevAddressTargetdeviceaddress:Thedevice7bitsaddressvalue *indatasheetmustbeshiftedtotheleftbeforecallingtheinterface *@parampDataPointertodatabuffer *@paramSizeAmountofdatatobesent *@paramTimeoutTimeoutduration *@retvalHALstatus */ HAL_StatusTypeDefHAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef*hi2c, uint16_tDevAddress, uint8_t*pData, uint16_tSize, uint32_tTimeout){ uint32_ttickstart=0x00U; /*Inittickstartfortimeoutmanagement*/ tickstart=HAL_GetTick(); if(hi2c->State==HAL_I2C_STATE_READY){ /*WaituntilBUSYflagisreset*/ if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c,I2C_FLAG_BUSY,SET,I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG,tickstart)!=HAL_OK){ returnHAL_BUSY; } /*ProcessLocked*/ __HAL_LOCK(hi2c); /*CheckiftheI2Cisalreadyenabled*/ if((hi2c->Instance->CR1&I2C_CR1_PE)!=I2C_CR1_PE){ /*EnableI2Cperipheral*/ __HAL_I2C_ENABLE(hi2c); } /*DisablePos*/ 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; /*Preparetransferparameters*/ hi2c->pBuffPtr=pData; hi2c->XferCount=Size; hi2c->XferOptions=I2C_NO_OPTION_FRAME; hi2c->XferSize=hi2c->XferCount; /*SendSlaveAddress*/ if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c,DevAddress,Timeout,tickstart)!=HAL_OK){ if(hi2c->ErrorCode==HAL_I2C_ERROR_AF){ /*ProcessUnlocked*/ __HAL_UNLOCK(hi2c); returnHAL_ERROR; }else{ /*ProcessUnlocked*/ __HAL_UNLOCK(hi2c); returnHAL_TIMEOUT; } } /*ClearADDRflag*/ __HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c); while(hi2c->XferSize>0U){ /*WaituntilTXEflagisset*/ if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c,Timeout,tickstart)!=HAL_OK){ if(hi2c->ErrorCode==HAL_I2C_ERROR_AF){ /*GenerateStop*/ hi2c->Instance->CR1|=I2C_CR1_STOP; returnHAL_ERROR; }else{ returnHAL_TIMEOUT; } } /*WritedatatoDR*/ hi2c->Instance->DR=(*hi2c->pBuffPtr++); hi2c->XferCount--; hi2c->XferSize--; if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c,I2C_FLAG_BTF)==SET) &&(hi2c->XferSize!=0U)){ /*WritedatatoDR*/ hi2c->Instance->DR=(*hi2c->pBuffPtr++); hi2c->XferCount--; hi2c->XferSize--; } /*WaituntilBTFflagisset*/ if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c,Timeout,tickstart)!=HAL_OK){ if(hi2c->ErrorCode==HAL_I2C_ERROR_AF){ /*GenerateStop*/ hi2c->Instance->CR1|=I2C_CR1_STOP; returnHAL_ERROR; }else{ returnHAL_TIMEOUT; } } } /*GenerateStop*/ hi2c->Instance->CR1|=I2C_CR1_STOP; hi2c->State=HAL_I2C_STATE_READY; hi2c->Mode=HAL_I2C_MODE_NONE; /*ProcessUnlocked*/ __HAL_UNLOCK(hi2c); returnHAL_OK; }else{ returnHAL_BUSY; } }

總結

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

責任編輯：lq