I2C總線的電平邏輯

一、概述

IIC-BUS，是 Inter-Integrated Circuit Bus 的縮寫，顧名思義，簡單、方便地連接各種外設芯片，一種雙向2線制同步串行總線。

二、基本特征

基本特征如下：

串行(只有一根數據線，只能一位一位 bit 發送和接收)

同步(兩邊使用共同的時鐘線：無論是接收還是發送數據，時鐘都是由主機提供)

單端(區別于差分信號，數據線使用絕對電平作為 0 或者 1 的區分)

雙向(半雙工，同一時間只能接收或者發送)

主從(Master/Slave，只能由主機發起通信請求，從機只能響應)

總線(Bus，一條通信鏈路可以接多個設備)

三、電路連接和配置

一般的電路連接如下所示：

右圖中可知，設備間連接至少需要三根線：SDA(串行數據線)、SCL(串行時鐘線)和 GND(地)。

需要注意的是，無論是主機還是從機 SDA 和 SCL 的引腳，都需要配置成漏極開路(OD：Open drain，存在于MOS管中)或者集電極開路的(Open Collector，存在于三極管中)的形式：

這個特征需要我們在嵌入式系統中使用 IIC 時需要考慮兩個點：

硬件設計時，兩根信號線都需要增加上拉電阻

軟件設計時，單片機的 GPIO 端口要配置成漏極開路(OD：Open drain)模式，效果就是：導通時會將總線電壓拉低到地，不導通時就是高阻態，等效于一個阻值超級大的電阻，相當于分壓很大，不影響信號線的電平)

這樣的電路設計其實是為了實現線與功能，線與的意思就是邏輯與，對應到這里的的電路是：所有設備不拉低才為高，只要有一個設備拉低就會將總線拉低。

四、優點

只需要2根信號線(節約 PCB 板面積、引腳、成本等，都是錢呀)

協議簡單(當然是相對于 USB、以太網等協議)

協議容易實現(硬件電路比較簡單)

支持的器件多(硬件 IIC 功能是現在單片機的標配，當然一些低端的 8 位單片機可能沒有，但也能使用 GPIO 模擬實現) 。

總線可以同時掛載多個器件 (這就是總線的優勢了)

總線電氣兼容性好(對于常用的 5V、3.3V都支持，就看你上拉電阻選擇哪一個了)

速率較高(100kbps ~ 400kbps ~3.4Mbps，其實這個速率只能算一般吧)

距離較遠(幾米，降低速率~十幾米，不過一般都是比較近的使用場景，為了保證信號的準確性，遠距離會選擇具有差分信號的信號線)

五、I2C 總線的電平邏輯

I2C 是電平有效的(SPI 則是邊沿有效的)，也就是說：在傳輸數據的過程中，在 SCL 為低電平時，數據線 SDA 的電平發生變化，在 SCL為高電平時，SDA 的電平保持不變(這個時候的電平就是通信的數據位)。

當然，也有特殊情況，在 I2C 總線開始和結束數據傳輸時，SDA 在 SCL 為高時變化，這正好能夠區分是傳輸數據還是起始結束信號。

5.1、起始與結束信號

如圖所示，

起始位：

當SCL處于高電平時，SDA從高電平向低電平跳變，產生“起始”位。總線在起始條件產生后便處于忙(Busy)的狀態。可將“起始”位簡記為S。

停止位：

當SCL處于高電平時，SDA從低電平向高電平跳變，產生“停止”位。總線在停止條件產生后處于空困狀態?？蓪ⅰ巴Ｖ埂蔽缓営洖镻。

5.2、通信數據幀

灰色方塊表示主機控制 SDA 數據線發送數據，白色方塊表示從機控制 SDA 數據線給主機應答或者響應數據給主機。

SA(Slave Address) 為從機地址，主機不需要地址，但是從機必須要有個地址，因為總線連接多個設備時需要用地址區分，同時設備也只響應針對自身地址的通信，其中總線的從機地址位為 7 bits，即只可以連接 128 個從機設備。(值得說明的是，大多數 I2C 從機設備會將這7位固定好幾位，這樣有能夠減少設備的引腳數的優勢，這個看手冊的說明即可)

5.3、高階知識

重復起始(Repeated Start)

上圖中的 Sr 為重復起始 (Repeated Start)

I2C 通訊中，有時需要切換數據收發的方向，例如 I2C 設備是個EEPROM 存儲器時，要讀 EEEPROM ，需要先寫入地址(主->從)，再讀取數據(從->主)，此時無需給出停止位，然后再給開始位，而是直接再產生一次開始位，就可以了，稱為“重復起始位，記為 Sr。這樣做的好處是提高了通信的效率。

I2C 從設備子地址

我們知道，有一些 I2C 器件，除了器件自身的 I2C 地址SA外，其內部還有若干個單元可被訪問，相應具有子地址(寄存器)，

比較典型的是 EEPROM 存儲器等，子地址可以是 1字節~N字節，主機可以發送數據來對子地址進行控制。下面我們來探討兩種情況：對從設備的寄存器寫入數據和對讀取從設備某些寄存器的值。

如下圖所示，

主機先發送從機的 IIC 地址和寫標記，接著緊跟寄存器的地址，然后跟著發送該寄存器的數據，完成對指定寄存器的寫入操作。