I2C 简介

1. I2C 简介
这里的内容参考的是 2014.4.4 的 V.6 版本的官方 I2C-Bus 规格书 ，第六章有给出相应的链接 。
1.1 引脚
I2C 一般而言是一种同步半双工的通信方式 ，所以除了电源引脚之外 ，I2C 有时钟引脚 SCL 和数据引脚 SDA 。但需要注意 ：在 V.6 版本中 ，I2C 在超快模式 （5Mbps）只能是单工通信 。
1.2 数据帧

图 1 I2C 主机传输数据帧

图 2 I2C 主机读取数据帧
如图 1 ，在主机写了从机地址 +‘0’(write) 之后 ， 从机应答 ，后面可以接着写数据 ，从机再应答 ，最后是停止位 。注意 ：理论上数据可以是 0 至无数个 。具体处理如下 ：
(1) 空闲 ：SCL 和 SDA 都是高电平 。
(2) 启动 ：SCL 为高电平 ，SDA 从高到低转换 。
(3) 从机地址 / 数据 ：8 位 ，从 MSB 开始传输数据 ；主机控制 SDA 。SDA 在 SCL 高电平期
间要保存稳定 ，在 SCL 低电平期间改变状态 。一个数据传输产生一个时钟脉冲 。(注意 ：第一个数据是从机地址 + 写即‘0’)
(4) 应答 ：在第 9 个时钟脉冲期间 ，主机释放 SDA 线 ，由从机控制 。拉低是正确应答 。
(5) 停止 ：SCL 为高电平 ，SDA 从低到高转换 。一段时间 (＜5μs) 内不能进行启动 。
注意 ：若数据没传输完成 ，则一直通过循环 (3) 、(4) ，数据写完之后 ，进入停止情况 。
如图 2 ，在主机写了从机地址 +‘1’(read) 之后 ， 从机应答 ，后面由从设备发送数据 ，主机应答 ，最后是停止位 。注意 ：理论上数据可以是 0 至无数个 。具体处理与主机传输数据大致一样 ，但在 (3) 、(4) 部分有修改 ：
(3) 从机地址 / 数据 ：8 位 ，从 MSB 开始传输数据 ；总线传输从机地址时 ，主机控制 SDA ，
总线传输数据时 ，从机控制 SDA 。SDA 在 SCL 高电平期间要保存稳定 ，在 SCL 低电平期间改变状态 。一个数据传输产生一个时钟脉冲 。(注意 ：第一个数据是从机地址 + 写即‘0’)
(4) 应答 ：在第 9 个时钟脉冲期间 ，若是传输的是从机地址 ，主机释放 SDA 线 ，由从机控制 ；
若传输数据，则从机释放 SDA ，由主机控制 。拉低是正确应答 。
以上是最基础的数据帧格式 ，在实际中 ，都是组合这两种数据帧 。当然 ，(5) 中停止情况可能会换成重启动情况 。如图 3 所示 ，若数据传输完成之后主机仍然继续通信 ，可以产生重启动 ，但在最终一定要生成停止情况 。

图 3 I2C 总线上的数据传输
1.3 速率
I2C 总线共有几个传输模式 ：
(1) 标准模式 (Sm) ：最高可达 100Kbit/s
(2) 快速模式 (Fm) ：最高可达 400Kbit/s
(3) 快速模式+ (Fm+) ：最高可达 1Mbit/s
(4) 高速模式 (Hs) ：最高可达 3.4Mbit/s
(5) 超快模式 (UFm) ：最高可达 5Mbit/s (单工)
除了 UFm 模式 ，其他模式支持向下低速兼容 。
1.4 电气和时序相关
在此版本中 ，电平的‘0’和‘1’判断为 (单位为 ：V ，并且不考虑 Hs 和 UFm 模式) ：
(1) 输入低电平 (VIL) ：-0.5~0.3VDD
(2) 输入高电平 (VIH) ：0.7VDD~(VDD + 0.5) 或 5.5
(3) 输出低电平 (VOL) ：0~0.4 (在 VDD > 2V 的情况下)
(4) 低电平输出电流 (IOL) ：对 Sm 和 Fm 最小为 3mA ，Fm+ 为 20mA
这个限制了上拉电阻 Rp 的最小值 ，结合图 4 和图 5 提到的最大上升时间 tr 等 ，上拉电阻在一个范围之内 ：
(VDD – VOL) / IOL ≤ Rp ≤ tr / (0.8473 * Cb)

图 4 Sm 、Fm 和 Fm+ 的时序图

图 5 Sm 、Fm 和 Fm+ 的时序特征
1.5 多主控制
2.1~2.4 简单介绍了 I2C 的基础功能 (7位地址) ，接下来介绍 I2C 总线的多主控制 。
I2C 总线是多主控总线 ，即连接到总线上的主机不止一个 (要注意在总线上被主机寻址的任何设备都是从机) ，而且总线上的主机没有任何优先顺序 ，此时如果两个或多个主机同时控制总线 ，就会出现竞争现象 ；在 I2C 中 ，通过时钟同步和仲裁决定那个主机顺利控制总线 (如果两个主机传输相同 ，那就都可以顺利完成) 。
(1) 时钟同步
仅在多主控制中需要 。简单来说 ，时钟同步就是想要控制总线的主机同时向 SCL 发送时钟 ，在这过程中 ，只要有任何一个主机发送的时钟是低电平 ，那么 SCL 线上的就是低电平 (那些低电平持续时间较短的主机将进入 SCL 是高电平的等待状态 ，只有 SCL 线上为高电平时 ，才开始高电平周期的计数) 。当且仅当所有控制总线的主机都发送高电平时 ，SCL 线上才是高电平 (当有一个主机时钟从高电平转换为低电平时 ，所有想要控制总线的主机时钟都将发出低电平 ，开始低电平周期) 。即可认为 ：主机中低电平持续时间最长的决定了 SCL 线上的低电平周期 ，而主机中高电平持续时间最短的决定了 SCL 线上的高电平周期 。如图 6 为时钟同步示意图 。

图 6 时钟同步示意图
(2) 仲裁
时钟同步针对 SCL 线 ，仲裁针对的是 SDA 线 ，仲裁同样在多主控制中才有效 。
首先 ，在启动时 ，所有要控制总线的主机必须在 tHD ：STA 时间 (详细见图 5 ) 内启动 ，

图 7 仲裁示意图
接下来将一位一位的进行仲裁 ，在 SCL 为高电平时 ，每个主机都要检查 SDA 电平与自身发送的电平是否匹配 ，如果不匹配则仲裁失败 ，仲裁失败的主机才关闭 SDA 的输出驱动器 ，但在仲裁失败的字节结束前 ，这个主机可以继续产生时钟信号 ，并且总线空闲时必须重新启动传输 (如果仲裁失败的主机有从机功能 ，该主机必须切换到从机模式) 。
在这里说明一下 ，因为 IIC 总线有线与功能 ，所以竞争时低电平胜出 。
除了上述之外 ，I2C允许从机将 SCL 拉低强制主机进入等待状态 ；地址不止有 7 位 ，还可以有 10 位 ；保留地址的用法等等 ，有兴趣可以查看相关资料 。
2. 参考资料
(1) NXP 官网 ：《I2C-bus specification and user manual》
下载链接 ：
https://www.nxp.com.cn/docs/en/user-guide/UM10204.pdf