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"也許你聽說過I2C，或者你也正在使用I2C，但你有沒有了解過什么是I2C？I2C是如何工作的？讓我們一起了解一下什么是I2C？以及它的工作原理吧！"

什么是I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種使用多主從結構的串行通信總線。它是由飛利浦在20世紀80年代初設計的。I2C對于主板、嵌入式系統或手機和外圍元件之間的通信是很方便的。由于其簡單性，I2C被廣泛用于微控制器和傳感器、顯示器、物聯網設備、EEPROM等的通信。I2C由兩條線組成，SCL和SDA，這兩條數據線需要連接到上拉電阻，當總線處于空閑狀態時，SCL和SDA處于高電平，I2C總線按照一定的協議工作。

接下來，讓我們看一下I2C協議。I2C支持多個從屬設備，也就是說，多個I2C從屬設備可以連接到一個I2C控制器上。這些不同的I2C從屬設備有不同的設備地址，這樣I2C主控制器可以通過I2C設備的設備地址訪問指定的設備地址，一條I2C總線連接多個I2C設備，如圖所示：

SDA和SCL鏈接必須連接到一個上拉電阻，通常是4.7KΩ。其余的I2C從機與SDA和SCL線相連接，這樣就可以通過SDA和SCL線訪問多個I2C設備。

I2C的特點

1. 只需要一條數據線SDA和一條時鐘線SCL，SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向的I/O線

SCL（串行時鐘）：串行時鐘線，用于傳輸CLK信號，一般由主設備提供給從設備

SDA（串行數據）：串行數據線，傳輸通信數據

2. 實現真正的多主總線，任何設備都可以同時作為主設備和從設備，但同時只能有一個主設備

3. 可以通過外部連接進行檢測，便于系統故障診斷和調試

4. 連接在同一總線上的IC只受限于總線的最大電容，串行8位雙向數據傳輸比特率在標準模式下可達100Kbit/s，在快速模式下可達400Kbit/s，在高速模式下可達3.4Mbit/s。

5. 總線上消耗的電流非常小。因此，在總線上擴展的設備數量主要由電容性負載決定，它可以抵抗高噪音干擾。增加一個總線驅動器可以使總線電容擴大10倍，傳輸距離可以達到15米；兼容不同電壓等級的設備，工作溫度范圍廣

6.接口電路是一個開路輸出。它需要通過一個上拉電阻連接到電源VCC。當總線處于空閑狀態時，兩條線都是高電平。連接到總線上的外部器件是CMOS器件。輸出端也是一個開路電路。

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數據傳輸

主設備和從設備遵循以下協議格式進行數據傳輸。數據在主設備和從設備之間通過SDA數據線傳輸0和1的串行數據，一個串行數據序列的結構可以分為：

起始位

地址位（7bit或10bit）。

讀和寫位（1bit）

響應位（1bit）

數據位+響應位（數據位8bit；響應位1bit；數據+響應可反復多次傳輸，直至遇到停止位）

停止位

啟動位

當主設備決定開始通信時，它需要發送一個啟動信號，并需要進行以下操作

首先，將SDA從VOH切換到VOL

然后將SCL從VOH切換到VOL

在主設備發出信號和啟動條件后，所有的從屬設備即使在睡眠模式下也會變得活躍，并等待接收一個地址位。

地址位

地址位支持7位和10位，如果主站需要向從站發送/接收數據，必須先發送地址，然后從站才會對應，再與安裝在總線上的從站地址相匹配。

響應位

響應位有2種類型：

ACK：從機正確接收數據或地址位+讀寫位

NACK：從機不回答，工作不正常。

每次主設備發送數據和讀寫位時，它將等待從屬設備的響應信號ACK。

如果從屬設備發來響應位信號ACK

如果沒有響應信號NACK，SDA將輸出一個VOH，這將導致主設備重新啟動或停止

數據位

每次傳輸的數據總共有8位，由發送方設置，它需要將數據位傳輸給接收方。

傳輸后有一個ACK/NACK位，如果接收方成功接收了數據，從屬方就發送一個ACK。否則，從機發送一個NACK。

數據可以多次發送，直到收到一個停止位。

停止位

當主設備決定結束通信時，它需要發送結束信號，并需要執行以下操作。

首先將SDA從VOL切換到VOH

然后SCL從VOH切換到VOL

下面是顯示完成的I2C時序圖：

SCL線的同步化（時鐘同步化）

SCL的同步是由于總線線 "AND"（開漏輸出）的邏輯功能，也就是說，只要有一個節點發送低電平，總線就會顯示為低電平。只有當所有節點都發送高電平時，總線才能出現高電平。正是由于線路 "AND "邏輯功能的原理，當多個節點同時發送時鐘信號時，總線上會顯示一個統一的時鐘信號，這就是SCL的同步原理。

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SDA仲裁

SDA仲裁

SDA線的仲裁也是基于總線具有線路 "AND "邏輯功能的原則。節點發送1位數據后，比較總線上呈現的數據是否與它發送的內容一致（類似于CAN總線的回讀機制），一致繼續發送否則退出競爭。SDA線的仲裁可以確保I2C總線系統正常通信，當多個主節點試圖同時控制總線時，數據不會丟失。總線系統通過仲裁只允許一個主節點繼續占用總線。

仲裁過程

DATA1和DATA2分別是主節點發送給總線的數據信號，SDA是總線上呈現的數據信號，SCL是總線上呈現的時鐘信號。當主節點1和2同時發送啟動信號時，兩個主節點都發送高電平信號，這時，總線上的信號為高電平，兩個主節點檢測到總線上的信號與自己發送的信號相同，繼續發送數據。在第二個時鐘周期，兩個主節點都發送低電平信號，總線上呈現的信號為低電平，繼續發送數據。在第3個時鐘周期，主節點1發送一個高電平信號，而主節點2發送一個低電平信號，根據總線的 "AND "線的邏輯功能，總線上的信號是低電平。這時，主節點1檢測到總線上的數據與自己發送的數據不同，并斷開數據的輸出階段，轉向從機接收狀態，這樣主節點2贏得了總線數據沒有丟失，即總線上的數據與主節點2發送的數據相同，主節點1轉為從節點后繼續接收數據，也沒有丟失SDA線。因此在仲裁過程中，數據不會丟失。

小結：SDA仲裁和SCL時鐘同步處理不是順序進行的，而是同時進行的。在實際使用中，I2C很容易出現死鎖。有兩種常見的情況會發生死鎖：

一種情況是，當從屬設備回復ACK時，主設備異常復位。

另一種情況是，當從屬設備回復的數據位為0時，主設備異常復位。

這兩種情況的相同點是，當主設備被異常復位時，SDA處于被從屬設備拉低的狀態，而SCL在主設備復位后處于VOH（空閑狀態）。此時，從設備將等待主設備將SCL拉低，以獲取ACK或數據位，而主設備將等待從設備釋放SDA線。主設備和從設備互相等待，在空中互相對視，進入死鎖狀態。

下面是一些解決死鎖問題的常用方法：主設備檢測到SDA線后，從設備就會釋放SDA線。

主設備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，會主動復位從設備釋放SDA。這種方法的前提是，從屬設備有一個復位引腳，MCU可以控制從屬設備的復位引腳使其復位。

在主設備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，它向時鐘總線推送9個時鐘，并占用從屬設備的ACK位，這樣從屬設備就會釋放SDA到一個VOH。

在主設備和從設備之間串聯一個I2C緩沖器，它可以自動檢測死鎖情況。當檢測到死鎖時，它將主動斷開與主設備的連接，并向從設備發送9個時鐘。在從屬設備釋放SDA線后，它將重新與主設備建立連接。

I2C死鎖問題不能從根本上避免，除了由MCU的異常復位引起的I2C死鎖外，在正常的通信過程中，從屬設備也可能異常地拉下SDA而引起死鎖。因此，當死鎖發生時，軟件應設計成能夠從死鎖中恢復，從而使I2C通信能夠繼續。

CORPORATE CULTURE 時鐘拉伸

時鐘拉伸

什么是I2C時鐘拉伸？在I2C的主從通信過程中，總線上的SCL時鐘總是由主站產生和控制，但如果從站不能跟上主站的速度，I2C協議規定從站可以拉低SCL時鐘線。傳輸會暫停，直到從機釋放SCL線，然后繼續傳輸。

時鐘拉伸是從屬設備的一個可選配置。如果不啟用，從機不能控制SCL；如果啟用，從機可以通過強行將SCL拉低來降低傳輸速度。在SCL為VOL的期間，主機只能等待從機釋放SCL。

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重復啟動

有時，主站需要在一次通信中進行多次信息交換，如與不同的從站傳輸信息，或切換讀寫操作，而又不想在此期間被其他主站干擾，那么可以使用 "重復啟動條件"--在一次通信中，主站可以產生多個啟動條件來完成多個信息交換，最后產生一個停止條件來結束整個通信過程。由于在此期間沒有停止條件，所以主站一直占據著竊聽器，而其他主站無法切換進來。