I2C（Inter-Integrated Circuit），有時也稱為IIC或TWI（Two-Wire Interface），是一種用于低速度串行通信的總線協(xié)議，主要用于連接微控制器與其外圍設(shè)備，如傳感器、EEPROM、RTC（實時時鐘）等。I2C 由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)今的恩智浦半導(dǎo)體）在1980年代初期開發(fā)。

I2C 通信僅需兩根線：

SDA（Serial Data）：數(shù)據(jù)線，用于數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

SCL（Serial Clock）：時鐘線，用于同步信號。

I2C 協(xié)議的特點包括：

主從架構(gòu)：

在I2C總線上，任何設(shè)備都可以是主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備負責(zé)生成時鐘信號和控制總線，而從設(shè)備接收主設(shè)備的指令。通常，微控制器充當主設(shè)備的角色。

支持多主設(shè)備和多從設(shè)備：

I2C 總線允許多個主設(shè)備和多個從設(shè)備共存，每個設(shè)備都有唯一的地址。在多主模式下，各主設(shè)備需要通過一定的仲裁機制來協(xié)調(diào)對總線的訪問。

地址和數(shù)據(jù)傳輸：

在I2C通信中，數(shù)據(jù)傳輸是通過發(fā)送設(shè)備地址加讀寫位開始的，隨后跟隨的是數(shù)據(jù)傳輸。如果有多個從設(shè)備，主設(shè)備通過地址來指定與之通信的從設(shè)備。

同步：

I2C是一種同步協(xié)議，意味著數(shù)據(jù)的傳輸是由時鐘信號（SCL線）來控制的。

I2C 協(xié)議的優(yōu)點是簡單、成本低且靈活，只需兩根線就能連接多個設(shè)備。不足之處是速度相比SPI和UART較慢，且總線長度有限制，隨著連接的設(shè)備數(shù)量增加，可能會影響通信速度和可靠性。

一、IIC的通信流程

啟動信號：

通信開始時，主設(shè)備發(fā)出啟動信號。這通過將數(shù)據(jù)線（SDA）從高電平拉低，而時鐘線（SCL）保持在高電平來實現(xiàn)。這個動作通知所有從設(shè)備主設(shè)備即將開始通信。

發(fā)送設(shè)備地址及讀寫位：

緊接著啟動信號，主設(shè)備發(fā)送從設(shè)備的地址以及操作位（讀/寫）到數(shù)據(jù)線上。每個從設(shè)備都有一個唯一的地址。讀寫位決定了操作是讀數(shù)據(jù)（通常設(shè)為1）還是寫數(shù)據(jù)（通常設(shè)為0）。

從設(shè)備應(yīng)答：

地址和讀寫位發(fā)送完畢后，被尋址的從設(shè)備需要通過發(fā)送一個應(yīng)答信號（ACK）來響應(yīng)。應(yīng)答信號是在數(shù)據(jù)線（SDA）上產(chǎn)生一個低電平信號，同時時鐘線（SCL）為高電平。

數(shù)據(jù)傳輸：

成功建立連接和從設(shè)備應(yīng)答之后，數(shù)據(jù)可以開始傳輸。數(shù)據(jù)是按字節(jié)傳輸?shù)?，每傳輸完一個字節(jié)后，接收方（無論是主設(shè)備還是從設(shè)備）都需要發(fā)送一個應(yīng)答信號（ACK）。

停止信號：

數(shù)據(jù)傳輸完成后，主設(shè)備發(fā)出一個停止信號來終止通信。這通過將數(shù)據(jù)線（SDA）從低電平拉高，而時鐘線（SCL）保持在高電平來實現(xiàn)，標志著一次I2C交流的結(jié)束。

二、發(fā)送1bit數(shù)據(jù)的流程

主設(shè)備首先確保時鐘線SCL處于高電平狀態(tài)。

然后，主設(shè)備會將要發(fā)送的比特數(shù)據(jù)設(shè)置在數(shù)據(jù)線SDA上。如果發(fā)送的是‘1’比特，SDA線會被設(shè)置為高電平；如果發(fā)送的是‘0’比特，SDA線會被設(shè)置為低電平。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在SCL線的一個時鐘脈沖開始之前穩(wěn)定。

在數(shù)據(jù)線SDA穩(wěn)定后，主設(shè)備通過將時鐘線SCL從高電平拉低到低電平，來通知從設(shè)備數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)可以被讀取。從設(shè)備在SCL線為高電平的時候讀取SDA線上的數(shù)據(jù)。

完成這個數(shù)據(jù)位的傳輸后，主設(shè)備通常會將時鐘線SCL恢復(fù)到高電平，準備發(fā)送下一個比特或產(chǎn)生一個停止條件以結(jié)束通信。

重要的是，在SCL線為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，因為任何在SCL高電平時的SDA變化都可能被視為控制信號（例如啟動或停止條件）。

三、IIC需要外接上拉電阻

I2C總線的設(shè)計是開漏（open-drain）或開集（open-collector）輸出，這意味著連接到總線的設(shè)備能夠?qū)⒖偩€拉低到地（GND），但是不能將總線推高至電源電壓（Vcc）。

上拉電阻的作用主要包括以下幾點：

提供拉高電平：

設(shè)備將總線釋放時，上拉電阻將SDA和SCL線拉高到正邏輯電平（通常是Vcc），確保線路在非驅(qū)動狀態(tài)時為高電平。

限制電流：

當總線設(shè)備將SDA或SCL線拉低時，上拉電阻起到限流的作用，防止電流過大導(dǎo)致設(shè)備損壞。

防止總線沖突：

多個設(shè)備可能會同時嘗試控制總線。由于開漏設(shè)計，任何設(shè)備都可以安全地將總線拉低而不會對其他設(shè)備造成傷害。上拉電阻確保了在這種情況下不會出現(xiàn)短路。

增強信號完整性：

上拉電阻也有助于維護信號的完整性，減少因為長線路或者其他電氣特性引起的信號退化。

選擇合適的上拉電阻值是很重要的。電阻值太大，電流太小，導(dǎo)致總線拉高速度變慢，影響通信速率；電阻值太小，可能導(dǎo)致電流過大，浪費功率，且拉低總線時可能會對設(shè)備造成損害。通常，上拉電阻的選擇取決于總線容量（總線上設(shè)備的數(shù)量和總線長度）和系統(tǒng)工作的電源電壓。常見的電阻值范圍從1.8kΩ到10kΩ不等。