本文將帶你了解I²C協議。我們將學習I²C協議背景，硬件層，數據傳輸協議，實際上如何工作，單個主設備連接多個從機，多個主設備連接多個從機，以及如何編程。如果覺得不錯，歡迎關注、分享、收藏、點贊。希望能幫助到大家，如有錯誤敬請指出，謝謝！
目錄
- 背景
- 硬件層
- 數據傳輸協議
- 實際上如何工作？
- 單個主設備連接多個從機
- 多個主設備連接多個從機
- 如何編程？
- 總結
一、背景
I²C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統或手機與周邊設備組件之間的通訊。由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設備，EEPROM等之間的通信。
I²C最重要的功能包括：
- 只需要兩條總線；
- 沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；
- 所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址；
- I²C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測；
- 傳輸速度；
- 標準模式：Standard Mode = 100
Kbps - 快速模式：Fast Mode = 400
Kbps - 高速模式： High speed mode = 3.4
Mbps - 超快速模式： Ultra fast mode = 5
Mbps
- 標準模式：Standard Mode = 100
- 最大主設備數：無限制；
- 最大從機數：理論上是127；
以上是I²C的一些重要特點，下面會進一步對I²C進行介紹。
二、硬件層
I²C協議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數據線的縮寫，而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數據線需要接上拉電阻。
設備間的連接如下所示：
使用I²C，可以將多個從機（Slave）連接到單個主設備（Master），并且還可以有多個主設備（Master）控制一個或多個從機（Slave）。
假如希望有多個微控制器（
MCU）將數據記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個LCD時，這個功能就非常有用。
I²C總線（SDA，SCL）內部都使用漏極開路驅動器（開漏驅動），因此SDA和SCL 可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，默認情況下將其保持在高電平；
上拉電阻的值取決于許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：
具體如下所示：
從上表可知，使用I2C設備必須在的灌電流下工作，
這里不難發現需要在做選型需要滿足幾個條件；
?
所以根據上述公式可以計算，對于5V的電源，每個上拉電阻必須至少具有1.53kΩ，而對于3.3V的電源，每個電阻必須至少具有967Ω。
如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用典型值 4.7kΩ。
上述推導過程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf
最終在調試的時候，當我們測量SDA或SCL信號并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；
當然，這并不意味著每當灌電流超過3mA時，設備就會立即停止工作。但是，在操作超出其規格的設備時，應始終小心，因為它可能導致通信故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備。
三、數據傳輸協議
主設備和從設備進行數據傳輸時遵循以下協議格式。數據通過一條SDA數據線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數據。串行數據序列的結構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，數據位，停止條件，具體如下所示；
開始條件
當主設備決定開始通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；
- 先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；
- 然后將
SCL從高電平切換到低電平；
在主設備發送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變為活動狀態，并等待接收地址位。
具體如下圖所示；
地址位
通常地址位占7位數據，主設備如果需要向從機發送/接收數據，首先要發送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址；
I2C還支持10位尋址；
讀寫位
該位指定數據傳輸的方向；
- 如果主設備需要將數據發送到從設備，則該位設置為
0； - 如果主設備需要往從設備接收數據，則將其設置為
1。
ACK / NACK
主機每次發送完數據之后會等待從設備的應答信號ACK；
- 在第9個時鐘信號，如果從設備發送應答信號
ACK，則SDA會被拉低； - 若沒有應答信號
NACK，則SDA會輸出為高電平，這過程會引起主設備發生重啟或者停止；
數據塊
傳輸的數據總共有8位，由發送方設置，它需要將數據位傳輸到接收方。
發送之后會緊跟一個ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數據，則設置為0。否則，它保持邏輯“ 1”。
重復發送，直到數據完全傳輸為止。
停止條件
當主設備決定結束通訊時，需要發送開始信號，需要執行以下動作；
- 先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；
- 再將SCL線從高電平拉到低電平；
具體如下圖所示；
四、實際上如何工作？
第一步：起始條件
主設備通過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連接的從機發送啟動條件 ：
第二步：發送從設備地址
主設備向每個從機發送要與之通信的從機的7位或10位地址，以及相應的讀/寫位；
第三步：接收應答
每個從設備將主設備發送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從設備通過將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位；
如果來自主設備的地址與從機自身的地址不匹配，則從設備將SDA線拉高，表示返回一個NACK位；
第四步：收發數據
主設備發送或接收數據到從設備；
第五步：接收應答
在傳輸完每個數據幀后，接收設備將另一個ACK位返回給發送方，以確認已成功接收到該幀：
第六步：停止通信
為了停止數據傳輸，主設備將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發送停止條件；
五、單個主設備連接多個從機
I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址，可以使用128（）個從機地址。
請使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc；
六、多個主設備連接多個從機
多個主設備可以連接到一個或多個從機；
當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發送或接收數據時，同一系統中的多個主設備就會出現問題。
為了解決這個問題，每個主設備都需要在發送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平；
-
如果SDA線為低電平，則意味著另一個主設備可以控制總線，并且主設備應等待發送消息。
-
如果SDA線為高電平，則可以安全地發送消息。
要將多個主設備連接到多個從機，請使用下圖，其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：
七、如何編程？
==Talk is cheap. Show me the code.==
參考了STM32的HAL庫中I2C驅動，主設備發送函數HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下：
/**
* @brief Transmits in master mode an amount of data in blocking mode.
* @param hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
* the configuration information for the specified I2C.
* @param DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
* in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
* @param pData Pointer to data buffer
* @param Size Amount of data to be sent
* @param Timeout Timeout duration
* @retval HAL status
*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c,
uint16_t DevAddress,
uint8_t *pData,
uint16_t Size,
uint32_t Timeout){
uint32_t tickstart = 0x00U;
/* Init tickstart for timeout management*/
tickstart = HAL_GetTick();
if(hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY){
/* Wait until BUSY flag is reset */
if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK){
return HAL_BUSY;
}
/* Process Locked */
__HAL_LOCK(hi2c);
/* Check if the I2C is already enabled */
if((hi2c->Instance->CR1 & I2C_CR1_PE) != I2C_CR1_PE){
/* Enable I2C peripheral */
__HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
}
/* Disable Pos */
hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_POS;
hi2c->State = HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_MASTER;
hi2c->ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;
/* Prepare transfer parameters */
hi2c->pBuffPtr = pData;
hi2c->XferCount = Size;
hi2c->XferOptions = I2C_NO_OPTION_FRAME;
hi2c->XferSize = hi2c->XferCount;
/* Send Slave Address */
if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c, DevAddress, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_ERROR;
}else{
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_TIMEOUT;
}
}
/* Clear ADDR flag */
__HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);
while(hi2c->XferSize > 0U){
/* Wait until TXE flag is set */
if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
return HAL_ERROR;
}else{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
/* Write data to DR */
hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
hi2c->XferCount--;
hi2c->XferSize--;
if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET)
&& (hi2c->XferSize != 0U)){
/* Write data to DR */
hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
hi2c->XferCount--;
hi2c->XferSize--;
}
/* Wait until BTF flag is set */
if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
return HAL_ERROR;
}else{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
}
/* Generate Stop */
hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
hi2c->State = HAL_I2C_STATE_READY;
hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(hi2c);
return HAL_OK;
}else{
return HAL_BUSY;
}
}八、總結
本文主要介紹I2C的入門基礎知識，從I2C協議的硬件層，協議層進行了簡單介紹；作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。
