I2C通信序列的典型特征

I2C（或IIC）代表IC間通信，是流行的微控制器通信協(xié)議之一。I2C通常用于與傳感器通信，但也用于許多其他應(yīng)用。

I2C是一種同步協(xié)議，這意味著它有一條時(shí)鐘線（有關(guān)同步和異步通信的更多信息，請參閱我們的關(guān)于該主題的文章）。

I2C通信

雖然I2C只使用兩條通信線路（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)），但它可以在同一條I2C總線上容納多個(gè)設(shè)備；這是通過利用一種尋址方案來實(shí)現(xiàn)的，其中總線上的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址。通信始于發(fā)送通信所針對的設(shè)備地址，然后被尋址的設(shè)備必須確認(rèn)其存在并準(zhǔn)備好進(jìn)行通信。

由于只有一條數(shù)據(jù)線（SDA串行數(shù)據(jù)）用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（半雙工），因此需要一種方案，使通信中的主機(jī)和從機(jī)都能無沖突地控制數(shù)據(jù)線。必須避免總線爭用，即一個(gè)器件試圖向總線寫入高電平，而另一個(gè)器件試圖向總線寫入低電平，這會(huì)造成短路。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使用開漏方案；其中任一器件只能驅(qū)動(dòng)總線“低電平”或“釋放”總線，上拉電阻用于在總線被釋放時(shí)將線路拉高（如果您不熟悉開漏或上拉電阻這兩個(gè)術(shù)語，請參考我們的關(guān)于該主題的文章）。時(shí)鐘線（SCL串行時(shí)鐘）也利用了這一方案，一些創(chuàng)新的技術(shù)被用來為I2C協(xié)議增加一些有用的功能——稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

下圖說明了I2C通信序列的典型特征：

通信從I2C總線空閑開始，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線都不被驅(qū)動(dòng)，因此被上拉電阻拉高。然后，主機(jī)（啟動(dòng)通信的器件）啟動(dòng)通信，首先拉低SDA線，然后拉低SCL線，這被定義為起始條件。

接下來，主機(jī)發(fā)送它希望與之通信的設(shè)備的7位地址，隨后是一個(gè)“讀或?qū)憽蔽?，表示主機(jī)希望寫入（0）還是讀?。?）該設(shè)備。數(shù)據(jù)線在時(shí)鐘線的上升沿被視為有效（從機(jī)讀?。?，數(shù)據(jù)首先以最高有效位（MSB）傳輸（如果您不熟悉術(shù)語最低有效位和最高有效位，那么您可以閱讀本文了解更多信息）。

地址發(fā)送后，假設(shè)被尋址的從機(jī)出現(xiàn)在I2C總線上，主機(jī)將釋放數(shù)據(jù)線（開漏），從機(jī)將在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)線為低電平，以確認(rèn)（ack）其存在并準(zhǔn)備好通信。如果從機(jī)不在總線上，則上拉電阻會(huì)將數(shù)據(jù)線拉高，主機(jī)將知道從機(jī)不可用。

在這個(gè)階段，主機(jī)和從機(jī)之間可以傳輸數(shù)據(jù)。如果正在讀取數(shù)據(jù)，則從機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)（同時(shí)主機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘線），或者如果正在寫入數(shù)據(jù)，則主機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后都有一個(gè)Ack位，在此期間，接收器（可以是主機(jī)，也可以是從機(jī)，取決于哪一方發(fā)送數(shù)據(jù)）應(yīng)使數(shù)據(jù)線保持低電平，以指示其已接收到通信（并準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次通信，如果適用）。

時(shí)鐘拉伸

I2C總線上的從設(shè)備能夠通過將時(shí)鐘（SCL）線保持在低電平來延遲它們的響應(yīng)（如果它們?nèi)匀幻β挡⑶疫€沒有準(zhǔn)備好響應(yīng)），這種特性被稱為“時(shí)鐘拉伸”；一旦準(zhǔn)備好響應(yīng)，從機(jī)就釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。這類似于UART （CTS/RTS）中的流控制線路，但不需要額外的通信線路（注意SPI協(xié)議沒有流控制功能）。

一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)可以按順序傳送，在每個(gè)字節(jié)之后出現(xiàn)一個(gè)ack。

重復(fù)開始

因?yàn)閺脑O(shè)備可能具有大量可讀取的值（例如多個(gè)傳感器讀取值以及設(shè)置值），所以從設(shè)備可能要求主設(shè)備在進(jìn)行實(shí)際讀取之前首先寫入指示其想要讀取什么的指令。在這種情況下，主機(jī)將首先發(fā)出一個(gè)寫操作，數(shù)據(jù)是指示應(yīng)該讀取什么的指令，然后主機(jī)將立即發(fā)出讀操作。然而，在兩者之間沒有發(fā)出stop，而是主機(jī)使用重復(fù)起始條件（后跟7位地址和1位讀/寫位，顯然現(xiàn)在設(shè)置為read）從寫切換到讀。要發(fā)出重復(fù)啟動(dòng)信號(hào)，主機(jī)首先將數(shù)據(jù)線拉高，然后是時(shí)鐘線，然后主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低，接著是時(shí)鐘線。

數(shù)據(jù)速率和距離

I2C總線上的通信通常以100kHz或400kHz的頻率進(jìn)行。這些相對較低的速度適合少量數(shù)據(jù)傳輸，但SPI（使用MHz范圍內(nèi)的時(shí)鐘，可能采用雙通道或四通道模式）通常更適合需要傳輸大量數(shù)據(jù)的高吞吐量應(yīng)用。I2C通常僅用于相對較短距離的通信，但也有一些方案可以通過差分對傳輸I2C，以實(shí)現(xiàn)更長距離的通信。

審核編輯：黃飛