I2C协议详解：从基本概念到通信过程

I2C协议详解：从基本概念到通信过程

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种同步半双工串行通信总线，由飞利浦公司在1980年代开发，用于主板、嵌入式系统或手机等设备连接低速周边设备。I2C协议允许多个“从机”芯片和一个或多个“主机”芯片进行通信，具有电路简单、通信可靠等特点，在各种电子设备中都有广泛应用。

概述

IIC（Inter-Integrated Circuit）是IICBus的简称，它是一种同步半双工串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。I2C协议是一个允许多个 “从机” 芯片和一个或更多的 “主机” 芯片进行通讯的协议。它就像串行外设接口（SPI）一样，只能用于短距离通信。又像异步串行接口（如RS232或UART）， 只需要两根信号线来交换信息。

电路特性

I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。这两根总线都结了上拉电阻，采用开漏输出方式，也即总线默认置一，主机和从机只能主动为总线置零。这样的总线符合“线与”的特性，也即只有当总线完全空闲时总线的信号呈现出来才为1。

通信特性

• I2C串行总线因为只有一根SDA总线所以其通信方式为半双工通信，一次数据传输只能单方面传输；而其时钟线又保证了传输的时序，在时钟总线低电平时发送方向数据线上传输数据，在时钟总线高电平时接收方从数据总线上读取数据。这就要求在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。
• I2C总线在传输数据时高位先行
• 虽然I2C总线是一种可以多主机多从机的总线，但其通信过程实际上只能由主机（master）主动和从机（slave）进行交互，从机无法主动请求主机传输数据，也无法主动向主机传输数据，只能在主机指定从机的传输模式之后进行相关的传输工作。
• I2C总线是一种有应答的总线，在一字节数据传输完成后发送方会放开总线控制，等待接收方发送应答，如果数据总线状态为0表示成功接收，状态为1表示无应答
• I2C总线在多主机通信时会发生仲裁，根据仲裁结果指定通信的主句
• I2C总线存在多种模式，囊括标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式

通信过程

起始信号与终止信号

起始信号：当时钟总线和数据总线都为高电平时，数据总线产生一个下降沿，表示传输开始。

终止信号：当时钟总线为高电平，数据总线为低电平时，数据总线产生一个上升沿，表示传输结束。

地址指定

在发出起始信号之后，主机便传输7位或者10位有效地址，来指定从机。在地址传输完成后，主机需再传输一位来声明数据传输方向，1表示主机向从机读数据，0表示主机向从机写数据。如果为0则主机接下来照常向SDA写入数据，从机读取数据总线的数据；如果为1，则接下来从机向SDA写入数据，主机读取数据总线的数据

数据传输

一次数据传输负责传输8位，也即一字节数据，在一次传输完成后接收方会发送应答位，0为接收成功，1为接收失败

总线仲裁

总线仲裁分为如下两部分：

SCL线的同步

SCL同步是由于总线具有线 “与” 的逻辑功能（开漏输出），即只要有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平。当所有的节点都发送高电平时，总线才能表现为高电平。正是由于线“与”逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号，这就是SCL的同步原理。

SDA线的仲裁

当总线上存在多个主机要访问从机时会产生冲突，这个时候就需要我们进行总线仲裁，核心的思想是利用我们的“线与”特性，让两个主机同时传输数据，当SDA上的数据和自己要传输的数据相同时就继续传输，当传输数据不同时，先检测到不同的主机先放弃对主机的控制权，并关闭对数据的输出

I2C死锁

简介

I2C死锁是指两个或多个设备（比如主设备和从设备）在通信过程中，由于某种原因互相等待，导致无法正常进行通信的现象。死锁在I2C中主要表现为：I2C死锁时表现为SCL为高，SDA一直为低。这种死锁状态可能会导致整个系统的通信受阻，影响设备的正常工作。

原理解释

这种情况产生的原因是在I2C主设备进行读写操作的过程中，主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲(8bit数据传输)，然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，检测到SCL处于高电平（采样阶段电平），就会继续I2C的应答而不会改变自己的电平，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平（变化电平），才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说，复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种死锁状态。同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

出现死锁的解决办法

主要有以下几点：
（1）可以选用带复位功能的从设备。
（2）在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生时钟脉冲，使I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。