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I2C总线的基本通信总结

2021-08-26 14:08:00

在电子设计开发中I2C大家已经很熟悉了，每一种电子产品小到电子开关，大到卫星通信都会利用的I2C总线。据统计I2C在电子产品中占据了93%的份额，几乎任何一种电路都要使用。

I2C是由PHILIPS公司在1980年开发的两线式串行总线，至今已经发展30多年的历史了。古老的电子产品中就已经在使用I2C总线了。I2C总线在所有总线中是最简单，最稳定的一种，由于发展历史久远，所以I2C总线出现了多种版本。但是万变不离其中，有的厂商甚至在原有I2C总线的基础上，自己改变了总线时序，成为独有的I2C。但是基本原理不变。

我遇到过很多人在问我，自己的I2C程序明明已经调试好，可换了个芯片就通信失败了，不能读取数据了。都是I2C的元器件，只是芯片厂家不同。在这里我告诉大家，这总线历史悠久，各种版本的要有几十种甚至几百种了，所有版本的通信格式，协议都一样，只是时间不同了，因为有的芯片厂家更改了时序中的时钟周期。所以大家遇到这种问题，只需调整延时，其余不动即可，不必不知所措，乱找问题。

I2C总线从机设备最多支持127个，主要是通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址。

I2C总线有三种数据传输速度：标准，快速模式和高速模式。标准的是100Kbps，快速模式为400Kbps，高速模式支持快至3.4Mbps的速度。所有的与次之传输速度的模式都是兼容的。I2C总线支持7位和10位地址空间设备和在不同电压下运行的设备。

TTL电平与COMS在I2C这里通用。是相互兼容的。

由于I2C的模式多种多样，我就给大家讲一种常用的7位寻址模式的通信，还有10位模式，大家可以自行找资料去了解，这种10位模式的较少。

总线通信流程大概分为四部分。1.启动—2.数据传输—3.应答—4.结束。

启动与结束：

SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件；

SCL 线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。

数据传输：

发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位（MSB），如果从机要完成一些其他功能后（例如一个内部中断服务程序）才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。

数据应答：

数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间发送器释放SDA 线（高）。

在响应的时钟脉冲期间，接收器必须将SDA 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。

以上是基本的通信流程，当然这通信是离不开时钟线的SCL。

时钟同步：

所有主机在SCL线上产生它们自己的时钟来传输I2C总线上的报文。数据只在时钟的高电平周期有效，因此需要一个确定的时钟进行逐位仲裁。

时钟同步通过线与连接I2C 接口到SCL 线来执行。这就是说SCL 线的高到低切换会使器件开始数它们的低电平周期，而且一旦器件的时钟变低电平，它会使SCL 线保持这种状态直到到达时钟的高电平。但是如果另一个时钟仍处于低电平周期，这个时钟的低到高切换不会改变SCL 线的状态。因此SCL 线被有最长低电平周期的器件保持低电平。此时低电平周期短的器件会进入高电平的等待状态。当所有有关的器件数完了它们的低电平周期后，时钟线被释放并变成高电平。之后，器件时钟和SCL线的状态没有差别，而且所有器件会开始数它们的高电平周期。首先完成高电平周期的器件会再次将SCL线拉低。

这样产生的同步SCL 时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件决定，而高电平周期由高电平时钟周期最短的器件决定。

7位寻址方式：

第一个字节的头7 位组成了从机地址，最低位（LSB）是第8 位，它决定了传输的方向。第一个字节的最低位是“0”，表示主机会写信息到被选中的从机；“1”表示主机会向从机读信息，当发送了一个地址后，系统中的每个器件都在起始条件后将头7 位与它自己的地址比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，至于是从机接收器还是从机发送器，都由R/W 位决定的。

下面是I2C的时序图与对应程序，程序已经调试通过，大家可以使用，但是大家记住一点，不同厂家芯片时钟周期会不同。本人以51单片机，keil4开发环境，12M晶振调试通过。从机芯片是AT24C08芯片。

起始与停止总线：