I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，最初由飞利浦公司（现为NXP半导体）在1980年代初期提出，广泛用于微控制器（MCU）与外部设备之间的低速通信。I2C协议的主要特点是其简洁的硬件设计，只需要两条线就可以进行数据通信，这使得它在很多嵌入式系统中得到了广泛应用。
1. I2C协议的基本概念
I2C协议基于两条主要信号线进行通信：
- SDA（Serial Data Line）：串行数据线，负责传输数据。
- SCL（Serial Clock Line）：串行时钟线，负责同步数据的传输。
I2C总线是一种双向的串行通信总线，支持多个主机和多个从机的连接。通过适当的协议，I2C可以在多个设备间传输数据，且每个设备都有一个唯一的地址。每个设备在总线上充当主机或从机角色，而同一时刻只能有一个主机发起通信。
I2C协议工作在半双工模式，即数据传输在任一时刻只能在一个方向上流动（从主机到从机，或从从机到主机），但是通过控制SDA线的方向和时序，数据可以实现双向传输。
2. I2C的工作模式：单主机和多主机
I2C协议最初设计时就是为了支持多主机架构，因此它允许多个主机共享同一条总线。但同时，I2C总线上只能有一个主机在任何时刻发起通信，这就需要通过仲裁机制来确保总线的控制权不会发生冲突。
- 单主机模式：只有一个主机控制总线。其他设备充当从机，接受主机的命令。
- 多主机模式：多个主机可以共用同一条总线，但在任何时刻，只有一个主机可以控制总线。若多个主机同时试图发送数据，I2C协议提供了冲突检测和仲裁机制，确保不会发生数据冲突。
3. I2C的地址机制
I2C通信中，每个设备都有一个唯一的地址，通常为7位（也有10位地址），7位地址提供了128个可能的地址，满足大部分应用需求。I2C设备的地址一般由设备厂商指定或在硬件上设置。常见的I2C设备有传感器、存储芯片、显示器等。
- 7位地址：I2C通信协议的标准配置，最大支持128个设备。
- 10位地址：为支持更多设备，I2C也允许10位地址配置，最多支持1024个设备。
地址通过数据传输时与读/写标志一同发送。通信协议规定，设备地址的前7位代表设备的唯一标识符，最后一位是控制位，表示数据流向的方向。
4. I2C通信的基本过程
I2C通信可以分为以下几个步骤：
-
起始信号（START Condition）： 主机通过将SDA从高电平拉低，在SCL高电平时发送起始信号（START）。起始信号标志着I2C通信的开始，告诉总线上所有设备有新的通信开始。
-
发送设备地址： 主机在发送起始信号后，发送一个字节，字节的前7位为从机的地址，最后1位为读/写控制位（R/W）：
- 0：表示主机向从机写数据
- 1：表示从机向主机写数据
例如，假设从机的地址为
0x03，如果主机要向该从机写数据，则发送的字节为0x06（0x03左移1位后加上0）。 -
从机应答（ACK）： 被寻址的从机在接收到主机发送的地址字节后，通过将SDA线拉低，发送一个应答信号（ACK）。应答信号告诉主机，从机已准备好进行数据传输。
-
数据传输： 数据传输以字节为单位，每个字节后接一个ACK位。主机或从机按通信协议规定的方向传输数据。每传输一个字节，接收方都会发送一个ACK信号，表示成功接收到数据。
-
停止信号（STOP Condition）： 数据传输完成后，主机通过将SDA从低电平拉高，发出停止信号，表示此次通信结束。停止信号让总线释放，其他设备可以进行新的通信。
5. I2C的信号同步机制
I2C通信是同步的，所有数据传输都必须与时钟信号SCL严格同步。在数据传输过程中，SCL信号的周期性变化决定了数据传输的时序。数据在SCL的低电平时被发送，而接收方则在SCL的高电平时读取数据。
- SCL高电平：接收器读取SDA上的数据。
- SCL低电平：发送器将数据发送到SDA线上。
这种同步机制确保了数据传输的稳定性和一致性。主机负责生成时钟信号SCL，而从机则依赖主机的时钟信号来接收数据。
6. I2C的仲裁和冲突检测
在多主机模式下，当多个主机试图在同一时刻控制总线时，I2C协议提供了仲裁机制来避免冲突。每个主机都可以监视总线上的信号，并在发生冲突时选择停止通信，确保只有一个主机可以继续操作。
- 仲裁过程：当多个主机同时试图开始通信时，它们会通过比较总线上发送的数据来确定谁能够继续。如果主机发送的数据与总线上的数据不一致，主机会放弃控制权。
仲裁机制可以防止多个主机同时传输数据，从而避免数据丢失和冲突。
7. I2C的多种工作模式
I2C协议支持不同的工作模式，能够在不同场景下使用。主要有以下几种模式：
- 标准模式（Standard Mode）：最大速率为100 Kbps，适用于低速设备的通信。
- 快速模式（Fast Mode）：最大速率为400 Kbps，常用于需要较高数据传输速率的设备。
- 高速模式（High-Speed Mode）：最大速率为3.4 Mbps，适用于高速通信需求。
- 超高速模式（Ultra Fast Mode）：最大速率为5 Mbps，用于极高速的设备间通信。
8. I2C的优缺点
优点：
- 简单的硬件设计：只需要两根线（SDA和SCL），省去了复杂的硬件连接。
- 支持多设备：I2C总线可以连接多个主机和从机，简化了多设备通信的设计。
- 较低的成本：I2C的实现不需要大量的硬件资源，适合低成本的嵌入式系统。
- 同步传输：数据传输是同步的，可以有效减少时序问题。
缺点：
- 传输速度慢：I2C的最大传输速率相对较低，适合低速数据传输，无法满足高带宽应用的需求。
- 距离限制：由于信号衰减，I2C的有效通信距离较短，一般适用于板内或短距离通信。
- 总线共享问题：多个设备共用同一条总线，容易发生总线冲突。