I2C總線是一種十分流行并且強(qiáng)大的總線，其多用于一個（或多個）主機(jī)與單個或多個從設(shè)備通訊的場景。圖1表明了多種不同的外設(shè)可以共享這種只需要兩根線便可以連接到處理器的總線，相對于其他接口來說，這也是I2C總線可以提供的最大優(yōu)勢之一。

這篇文章的目標(biāo)是幫助電子工程師理解I2C總線是如何工作的。

圖1展示了一個典型的用于嵌入式系統(tǒng)中的I2C總線，其上掛載了多種從設(shè)備。作為I2C主機(jī)的從微控制器控制著IO拓展、不同傳感器、EEPROM、多個ADC/多個DAC、等等。所有這些設(shè)備只需要通過來自主機(jī)的兩根引腳來控制。

圖1

1、電特性

I2C總線使用開漏輸出控制器，在同一線路上帶有一個輸入緩沖器，這樣便可以允許在單根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流傳輸。

1.1 用于雙向通訊的開漏極

開漏輸出極允許將總線上的電壓拉低（大多數(shù)情況下是到地），或釋放總線以允許其被上拉電阻拉高。當(dāng)總線被主機(jī)或從機(jī)釋放，線上的上拉電阻負(fù)責(zé)將線上電壓上拉到電源軌。由于并沒有設(shè)備可以在總線上輸出高電平，這也就意味著總線在通訊中，將不會碰到一個設(shè)備輸出高，而另一個設(shè)備試圖輸出低所導(dǎo)致的短路問題（電源軌到地）。I2C總線要求處于多主機(jī)環(huán)境下的單個主機(jī)在輸出高而讀回的實(shí)際總線電平為低時（這意味著另一個設(shè)備拉低了它）中止通訊，因為另一個設(shè)備正在使用總線。采用推挽輸出方式的接口就沒有這么自由了，這也正是I2C總線的一個優(yōu)先。

圖2

圖2展示了位于SDA/SCL線上的主從設(shè)備的內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)，其由一個用于讀取數(shù)據(jù)的緩沖器，以及一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)的下拉場效應(yīng)管組成。一個設(shè)備只被允許拉低總線（規(guī)定為短路到地）或釋放總線（對地呈現(xiàn)高阻態(tài)）以允許上拉電阻拉升總線電平。當(dāng)處理I2C設(shè)備時，有一個重要的概念需要闡明：沒有設(shè)備可以保持總線為高。這個特性使得雙向通訊得以實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 開漏極拉低

正如前面章節(jié)所述，開漏輸出只能將總線拉低，或者釋放總線然后依靠上拉電阻拉高總線。圖3展示了總線拉低時的電流流向。當(dāng)邏輯電路想要發(fā)送一個低電平時，其會使能下拉場效應(yīng)管，場效應(yīng)管會通過短路到地的方式拉低線路。

圖3

1.1.2 開漏極釋放總線

當(dāng)從機(jī)或主機(jī)想要傳輸一個邏輯電平高，它只能通過使能場效應(yīng)管的方式釋放總線。這將會使得總線處于浮空狀態(tài)，同時上拉電阻將會將總線電平拉高到供電軌，此電平被當(dāng)作高電平看待。圖4展示了電流如何流過用于拉高總線的上拉電阻。

圖4

2 I2C接口

2.1 I2C的常用操作

I2C總線是一種雙向接口，其使用被稱為主機(jī)的控制器與從設(shè)備進(jìn)行通訊。從機(jī)不會主動傳輸任何數(shù)據(jù)，除非其被主機(jī)尋址。每個處于I2C總線上的設(shè)備均有獨(dú)有的設(shè)備地址，以用于與位于同一總線上的其他設(shè)備做區(qū)分。很多從機(jī)需要在啟動后進(jìn)行配置以設(shè)置設(shè)備行為。這通常在主機(jī)訪問從機(jī)的內(nèi)部寄存器映射時完成，這些寄存器均有獨(dú)一無二的寄存器地址。單個設(shè)備可以具有一個或多個寄存器，這些寄存器可以用來存儲或讀寫數(shù)據(jù)。
I2C總線的物理接口由串行時鐘線（SCL）和串行數(shù)據(jù)線（SDA）組成。SCL和SDA均需要通過上拉電阻連接到Vcc。上拉電阻的大小由I2C線路上的等效電容大小決定（想要了解更多，可以參考I2C Pull-up Resistor Calculation這份文檔，文檔號：SLVA689）。數(shù)據(jù)傳送只能在總線空閑時初始化。如果SDA和SCL在一個STOP標(biāo)志后均處于高電平狀態(tài)，這時可以認(rèn)為總線處在空閑狀態(tài)。
主機(jī)訪問從機(jī)的大體流程如下所示：

1、假設(shè)一個主機(jī)想要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：

• 發(fā)送方主機(jī)發(fā)送一個START標(biāo)志并且尋址接收方從機(jī)

• 發(fā)送方主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到接收方從機(jī)

• 發(fā)送方主機(jī)通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束傳輸

2、如果主機(jī)想要從從機(jī)接收/讀取數(shù)據(jù)：

• 接收方主機(jī)發(fā)送START標(biāo)志并尋址發(fā)送方從機(jī)

• 接收方主機(jī)發(fā)送需要讀取的寄存器地址到發(fā)送方從機(jī)

• 接收方主機(jī)從發(fā)送方從機(jī)接收數(shù)據(jù)

• 接收方主機(jī)通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊

2.1.1 START與STOP標(biāo)志

主機(jī)可以通過發(fā)送START標(biāo)志初始化與設(shè)備的I2C通訊，或者發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。當(dāng)SCL處于高電平時，SDA上的下降沿意味著一個START標(biāo)志，而SDA上的上升沿意味著一個STOP標(biāo)志。

圖5

2.1.2 重復(fù)的START標(biāo)志

重復(fù)的START標(biāo)志與通常的START標(biāo)志作用類似，其用于STOP標(biāo)志后緊接START標(biāo)志的情況時，用于代替這兩者。它看上去與START標(biāo)志一致，但是與START標(biāo)志不同的是，重復(fù)的START標(biāo)志在STOP標(biāo)志之前出現(xiàn)（也就是總線不處于空閑狀態(tài)時）。當(dāng)主機(jī)希望開始一次新的通訊，但又不希望發(fā)送STOP標(biāo)志使總線進(jìn)入空閑狀態(tài)時這會非常管用，這樣可以防止當(dāng)前主機(jī)的總線控制權(quán)被其他主機(jī)搶奪（當(dāng)處于多主機(jī)環(huán)境下）。

2.2 數(shù)據(jù)有效性與字節(jié)格式

數(shù)據(jù)位伴隨著SCL上的每一個時鐘脈沖被傳輸。單個字節(jié)由SDA線上的8位數(shù)據(jù)組成，其可以是設(shè)備地址、寄存器地址或者讀自/寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以大端在前（MSB）的方式傳輸。在START標(biāo)志與STOP標(biāo)志之間可以傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘電平為高時保持穩(wěn)定，因為SCL線為高時，SDA線上的變動將會被當(dāng)作控制指令（START或STOP）。

圖6

2.3 應(yīng)答（ACK）和非應(yīng)答（NACK）

數(shù)據(jù)的每一字節(jié)（包括地址字節(jié)）后總是伴隨著來自接收方的1位ACK位。ACK位使得接收方可以告知發(fā)送方當(dāng)前字節(jié)已成功接收，并且可以發(fā)送下一字節(jié)。
在接收方發(fā)送ACK位前，發(fā)送方必須釋放總線。接收方通過在ACK/NACK時鐘周期（第9時鐘周期）的低電平相位拉低SDA線來發(fā)送一個ACK位，如此一來，SDA線將會在ACK/NACK時鐘周期的高電平相位保持為低電平。設(shè)置與保持時間必須著重注意。

如果SDA線在ACK/NACK時鐘周期保持為高電平，這將會被作為NACK。有好幾種狀態(tài)將會導(dǎo)致NACK的產(chǎn)生：

接收方無法進(jìn)行接收或發(fā)送，因為其正在執(zhí)行一些實(shí)時性功能（real-time function），無法與主機(jī)進(jìn)行通訊。

• 在發(fā)送期間，接收方收到了無法識別的數(shù)據(jù)或指令。

• 在發(fā)送期間，接收方無法接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)（也就是緩沖區(qū)滿了）。

• 作為接收方的主機(jī)完成了數(shù)據(jù)讀取，因此通過發(fā)送一個NACK通知從機(jī)。

圖7

 3、I2C總線數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)可以寫入/讀自從機(jī)，但是這是通過讀寫從設(shè)備內(nèi)部的寄存器完成的。
包含信息的寄存器處于從機(jī)的內(nèi)存中，無論這些信息是配置信息還是一些需要回發(fā)給主機(jī)的采樣數(shù)據(jù)。為了指示從機(jī)去執(zhí)行某一任務(wù)，主機(jī)必須向這些寄存器內(nèi)寫入信息。

雖然通常來說I2C從機(jī)是具有多個寄存器的，但也需要注意并不是所有從機(jī)都是這樣。對于一個只具有單個寄存器的簡易從機(jī)來說，可以通過在從機(jī)地址后直接發(fā)送數(shù)據(jù)的方式來直接寫這個單一的寄存器，而不需要再對寄存器進(jìn)行尋址。一個通過I2C總線控制的8位I2C開關(guān)可以很好的作為單寄存器設(shè)備的例子。由于它通過1位來使能/失能一個通道，因此只需要1個寄存器，主機(jī)可以在從機(jī)地址后直接寫入寄存器數(shù)據(jù)，跳過寄存器編碼部分。

3.1 寫位于I2C總線上的從機(jī)

要在I2C總線上執(zhí)行寫操作，主機(jī)會發(fā)送一個START標(biāo)志以及從機(jī)地址到總線上，并且將最后1位（讀寫位）設(shè)為0以表明這是寫操作。當(dāng)從機(jī)發(fā)送應(yīng)答位之后，主機(jī)便發(fā)送希望寫入的寄存器地址。從機(jī)再一次應(yīng)答，通知主機(jī)從機(jī)已準(zhǔn)備好。這之后，主機(jī)開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)到從機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送完所有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)（有時只是一個字節(jié)），其將會通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。

圖8展示了一個寫入單個字節(jié)到從機(jī)寄存器的例子。

圖8

3.2 讀位于I2C總線上的從機(jī)

從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)類似，但是有一些額外的步驟。為了讀取從機(jī)，主機(jī)必須先指示從機(jī)自己想要讀取哪個寄存器。這一步通過執(zhí)行與寫操作類似的開始通訊步驟完成，發(fā)送讀寫位為0的設(shè)備地址（意味著一次寫操作），緊跟著希望讀的寄存器的地址。一旦從機(jī)應(yīng)答了此地址，主機(jī)將會再一次發(fā)送START標(biāo)志，并發(fā)送讀寫位為1的設(shè)備地址（意味著一次讀操作）。這時，從機(jī)將會應(yīng)答讀請求，同時主機(jī)釋放總線但是保持到從機(jī)的時鐘供應(yīng)。在通訊流程的這一部分，主機(jī)將會作為接收方主機(jī)，同時從機(jī)將會作為發(fā)送方從機(jī)。

主機(jī)將會繼續(xù)發(fā)送時鐘脈沖，但是會釋放SDA線以便于從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。在每個字節(jié)數(shù)據(jù)的結(jié)尾，主機(jī)將會發(fā)送一個ACK到從機(jī)，讓從機(jī)知道主機(jī)準(zhǔn)備好接收更多的數(shù)據(jù)。一旦主機(jī)接收完成期待的字節(jié)數(shù)量，它將會發(fā)送一個NACK，通知從機(jī)終止通訊并要求從機(jī)釋放總線。緊接著主機(jī)將會發(fā)送一個STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。

圖9展示了從從機(jī)寄存器讀取單個字節(jié)的例子。

圖9