"也許你聽說過I2C，或者你也正在使用I2C，但你有沒有了解過什么是I2C？I2C是如何工作的？讓我們一起了解一下什么是I2C？以及它的工作原理吧！"

什么是I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種使用多主從結(jié)構(gòu)的串行通信總線。它是由飛利浦在20世紀(jì)80年代初設(shè)計的。I2C對于主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)和外圍元件之間的通信是很方便的。由于其簡單性，I2C被廣泛用于微控制器和傳感器、顯示器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、EEPROM等的通信。I2C由兩條線組成，SCL和SDA，這兩條數(shù)據(jù)線需要連接到上拉電阻，當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，SCL和SDA處于高電平，I2C總線按照一定的協(xié)議工作。

接下來，讓我們看一下I2C協(xié)議。I2C支持多個從屬設(shè)備，也就是說，多個I2C從屬設(shè)備可以連接到一個I2C控制器上。這些不同的I2C從屬設(shè)備有不同的設(shè)備地址，這樣I2C主控制器可以通過I2C設(shè)備的設(shè)備地址訪問指定的設(shè)備地址，一條I2C總線連接多個I2C設(shè)備，如圖所示：

SDA和SCL鏈接必須連接到一個上拉電阻，通常是4.7KΩ。其余的I2C從機(jī)與SDA和SCL線相連接，這樣就可以通過SDA和SCL線訪問多個I2C設(shè)備。

I2C的特點(diǎn)

1. 只需要一條數(shù)據(jù)線SDA和一條時鐘線SCL，SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向的I/O線

SCL（串行時鐘）：串行時鐘線，用于傳輸CLK信號，一般由主設(shè)備提供給從設(shè)備

SDA（串行數(shù)據(jù)）：串行數(shù)據(jù)線，傳輸通信數(shù)據(jù)

2. 實(shí)現(xiàn)真正的多主總線，任何設(shè)備都可以同時作為主設(shè)備和從設(shè)備，但同時只能有一個主設(shè)備

3. 可以通過外部連接進(jìn)行檢測，便于系統(tǒng)故障診斷和調(diào)試

4. 連接在同一總線上的IC只受限于總線的最大電容，串行8位雙向數(shù)據(jù)傳輸比特率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，在快速模式下可達(dá)400Kbit/s，在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。

5. 總線上消耗的電流非常小。因此，在總線上擴(kuò)展的設(shè)備數(shù)量主要由電容性負(fù)載決定，它可以抵抗高噪音干擾。增加一個總線驅(qū)動器可以使總線電容擴(kuò)大10倍，傳輸距離可以達(dá)到15米；兼容不同電壓等級的設(shè)備，工作溫度范圍廣

6.接口電路是一個開路輸出。它需要通過一個上拉電阻連接到電源VCC。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，兩條線都是高電平。連接到總線上的外部器件是CMOS器件。輸出端也是一個開路電路。

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數(shù)據(jù)傳輸

主設(shè)備和從設(shè)備遵循以下協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間通過SDA數(shù)據(jù)線傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)，一個串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)可以分為：

起始位

地址位（7bit或10bit）。

讀和寫位（1bit）

響應(yīng)位（1bit）

數(shù)據(jù)位+響應(yīng)位（數(shù)據(jù)位8bit；響應(yīng)位1bit；數(shù)據(jù)+響應(yīng)可反復(fù)多次傳輸，直至遇到停止位）

停止位

啟動位

當(dāng)主設(shè)備決定開始通信時，它需要發(fā)送一個啟動信號，并需要進(jìn)行以下操作

首先，將SDA從VOH切換到VOL

然后將SCL從VOH切換到VOL

在主設(shè)備發(fā)出信號和啟動條件后，所有的從屬設(shè)備即使在睡眠模式下也會變得活躍，并等待接收一個地址位。

地址位

地址位支持7位和10位，如果主站需要向從站發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，必須先發(fā)送地址，然后從站才會對應(yīng)，再與安裝在總線上的從站地址相匹配。

響應(yīng)位

響應(yīng)位有2種類型：

ACK：從機(jī)正確接收數(shù)據(jù)或地址位+讀寫位

NACK：從機(jī)不回答，工作不正常。

每次主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和讀寫位時，它將等待從屬設(shè)備的響應(yīng)信號ACK。

如果從屬設(shè)備發(fā)來響應(yīng)位信號ACK

如果沒有響應(yīng)信號NACK，SDA將輸出一個VOH，這將導(dǎo)致主設(shè)備重新啟動或停止

數(shù)據(jù)位

每次傳輸?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)位傳輸給接收方。

傳輸后有一個ACK/NACK位，如果接收方成功接收了數(shù)據(jù)，從屬方就發(fā)送一個ACK。否則，從機(jī)發(fā)送一個NACK。

數(shù)據(jù)可以多次發(fā)送，直到收到一個停止位。

停止位

當(dāng)主設(shè)備決定結(jié)束通信時，它需要發(fā)送結(jié)束信號，并需要執(zhí)行以下操作。

首先將SDA從VOL切換到VOH

然后SCL從VOH切換到VOL

下面是顯示完成的I2C時序圖：

SCL線的同步化（時鐘同步化）

SCL的同步是由于總線線 "AND"（開漏輸出）的邏輯功能，也就是說，只要有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平，總線就會顯示為低電平。只有當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時，總線才能出現(xiàn)高電平。正是由于線路 "AND "邏輯功能的原理，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送時鐘信號時，總線上會顯示一個統(tǒng)一的時鐘信號，這就是SCL的同步原理。

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SDA仲裁

SDA仲裁

SDA線的仲裁也是基于總線具有線路 "AND "邏輯功能的原則。節(jié)點(diǎn)發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)是否與它發(fā)送的內(nèi)容一致（類似于CAN總線的回讀機(jī)制），一致繼續(xù)發(fā)送否則退出競爭。SDA線的仲裁可以確保I2C總線系統(tǒng)正常通信，當(dāng)多個主節(jié)點(diǎn)試圖同時控制總線時，數(shù)據(jù)不會丟失。總線系統(tǒng)通過仲裁只允許一個主節(jié)點(diǎn)繼續(xù)占用總線。

仲裁過程

DATA1和DATA2分別是主節(jié)點(diǎn)發(fā)送給總線的數(shù)據(jù)信號，SDA是總線上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，SCL是總線上呈現(xiàn)的時鐘信號。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)1和2同時發(fā)送啟動信號時，兩個主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平信號，這時，總線上的信號為高電平，兩個主節(jié)點(diǎn)檢測到總線上的信號與自己發(fā)送的信號相同，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第二個時鐘周期，兩個主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送低電平信號，總線上呈現(xiàn)的信號為低電平，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第3個時鐘周期，主節(jié)點(diǎn)1發(fā)送一個高電平信號，而主節(jié)點(diǎn)2發(fā)送一個低電平信號，根據(jù)總線的 "AND "線的邏輯功能，總線上的信號是低電平。這時，主節(jié)點(diǎn)1檢測到總線上的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，并斷開數(shù)據(jù)的輸出階段，轉(zhuǎn)向從機(jī)接收狀態(tài)，這樣主節(jié)點(diǎn)2贏得了總線數(shù)據(jù)沒有丟失，即總線上的數(shù)據(jù)與主節(jié)點(diǎn)2發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，主節(jié)點(diǎn)1轉(zhuǎn)為從節(jié)點(diǎn)后繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，也沒有丟失SDA線。因此在仲裁過程中，數(shù)據(jù)不會丟失。

小結(jié)：SDA仲裁和SCL時鐘同步處理不是順序進(jìn)行的，而是同時進(jìn)行的。在實(shí)際使用中，I2C很容易出現(xiàn)死鎖。有兩種常見的情況會發(fā)生死鎖：

一種情況是，當(dāng)從屬設(shè)備回復(fù)ACK時，主設(shè)備異常復(fù)位。

另一種情況是，當(dāng)從屬設(shè)備回復(fù)的數(shù)據(jù)位為0時，主設(shè)備異常復(fù)位。

這兩種情況的相同點(diǎn)是，當(dāng)主設(shè)備被異常復(fù)位時，SDA處于被從屬設(shè)備拉低的狀態(tài)，而SCL在主設(shè)備復(fù)位后處于VOH（空閑狀態(tài)）。此時，從設(shè)備將等待主設(shè)備將SCL拉低，以獲取ACK或數(shù)據(jù)位，而主設(shè)備將等待從設(shè)備釋放SDA線。主設(shè)備和從設(shè)備互相等待，在空中互相對視，進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

下面是一些解決死鎖問題的常用方法：主設(shè)備檢測到SDA線后，從設(shè)備就會釋放SDA線。

主設(shè)備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，會主動復(fù)位從設(shè)備釋放SDA。這種方法的前提是，從屬設(shè)備有一個復(fù)位引腳，MCU可以控制從屬設(shè)備的復(fù)位引腳使其復(fù)位。

在主設(shè)備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，它向時鐘總線推送9個時鐘，并占用從屬設(shè)備的ACK位，這樣從屬設(shè)備就會釋放SDA到一個VOH。

在主設(shè)備和從設(shè)備之間串聯(lián)一個I2C緩沖器，它可以自動檢測死鎖情況。當(dāng)檢測到死鎖時，它將主動斷開與主設(shè)備的連接，并向從設(shè)備發(fā)送9個時鐘。在從屬設(shè)備釋放SDA線后，它將重新與主設(shè)備建立連接。

I2C死鎖問題不能從根本上避免，除了由MCU的異常復(fù)位引起的I2C死鎖外，在正常的通信過程中，從屬設(shè)備也可能異常地拉下SDA而引起死鎖。因此，當(dāng)死鎖發(fā)生時，軟件應(yīng)設(shè)計成能夠從死鎖中恢復(fù)，從而使I2C通信能夠繼續(xù)。

CORPORATE CULTURE 時鐘拉伸

時鐘拉伸

什么是I2C時鐘拉伸？在I2C的主從通信過程中，總線上的SCL時鐘總是由主站產(chǎn)生和控制，但如果從站不能跟上主站的速度，I2C協(xié)議規(guī)定從站可以拉低SCL時鐘線。傳輸會暫停，直到從機(jī)釋放SCL線，然后繼續(xù)傳輸。

時鐘拉伸是從屬設(shè)備的一個可選配置。如果不啟用，從機(jī)不能控制SCL；如果啟用，從機(jī)可以通過強(qiáng)行將SCL拉低來降低傳輸速度。在SCL為VOL的期間，主機(jī)只能等待從機(jī)釋放SCL。

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重復(fù)啟動

有時，主站需要在一次通信中進(jìn)行多次信息交換，如與不同的從站傳輸信息，或切換讀寫操作，而又不想在此期間被其他主站干擾，那么可以使用 "重復(fù)啟動條件"--在一次通信中，主站可以產(chǎn)生多個啟動條件來完成多個信息交換，最后產(chǎn)生一個停止條件來結(jié)束整個通信過程。由于在此期間沒有停止條件，所以主站一直占據(jù)著竊聽器，而其他主站無法切換進(jìn)來。

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下面是UART、I2c和SPI之間的區(qū)別

你可能想知道，這三種通信方式中哪一種是最好的？是UART、I2C，還是SPI？

實(shí)際是沒有最好的通信外設(shè)，每個通信外設(shè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

因此，用戶應(yīng)該選擇最適合他們項目的通信外設(shè)。例如，如果你想要最快的通信外設(shè)，SPI將是最理想的。另一方面，如果用戶想連接多個設(shè)備而又不太復(fù)雜，I2C將是最理想的，因為它可以連接多達(dá)127個設(shè)備，而且易于管理。

以下是一些支持I2C通信協(xié)議的產(chǎn)品：

Seeeduino XIAO 系列

所有支持I2C、UART或SPI的XIAO系列單片機(jī)，這里有鏈接你可以查看Seeed Studio XIAO系列產(chǎn)品。

以下是XIAO系列的一些特點(diǎn)

拇指大小的外形尺寸，只有20×17.5毫米。專為空間受限的情況而制造。

多達(dá)11個可用IO支持多種接口，包括模擬、數(shù)字、IIC、UART、SPI等。

強(qiáng)大的內(nèi)核，性能強(qiáng)大，適合多樣化和復(fù)雜的應(yīng)用。

輕松地將XIAO集成到其他板子上，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

Wio Terminal

Wio Terminal是一個基于ATSAMD51的微控制器，具有藍(lán)牙和Wi-Fi無線連接功能，由Realtek RTL8720DN提供支持，與Arduino和MicroPython兼容。

以下是Wio終端的一些特點(diǎn)

強(qiáng)大的MCU：Microchip ATSAMD51P19的ARM Cortex-M4F內(nèi)核，運(yùn)行頻率為120MHz。

可靠的無線連接：配備Realtek RTL8720DN，雙頻2.4Ghz/5Ghz Wi-Fi

完整的系統(tǒng)配備有屏幕+開發(fā)板+輸入/輸出接口+外殼

與樹莓派40針兼容的GPIO，可以作為樹莓派的外圍設(shè)備進(jìn)行安裝

支持Arduino、CircuitPython、Micropython、ArduPy（什么是ArduPy）、AT固件、Visual Studio代碼

支持USB OTG

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寫在最后

I2C(Inter-Integrated circuit)協(xié)議是電子傳輸信號中常用的一種協(xié)議。

它是一種兩線式串行雙向總線，用于連接微控制器和外部設(shè)備，也因為它所需的引腳數(shù)只需要兩條(CLK和DATA)，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，所以被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路IC間的通信。

審核編輯：湯梓紅