简介

I2C（或IIC）代表IC间通信，是流行的微控制器通信协议之一。I2C通常用于与传感器通信，但也可用于许多其他应用。I2C 是一种同步协议，这意味着它有一条时钟线（有关同步和异步通信的更多信息，请参阅我们关于该主题的文章）。

I2C 通信

虽然 I2C 只使用两条通信线（时钟和数据），但它可以在同一条 I2C 总线上容纳多个设备；这是通过使用寻址方案实现的，总线上的每个设备都有一个唯一的地址。通信开始时，首先要发送通信所针对的设备地址，然后被寻址的设备必须确认它已存在并准备好进行通信。

由于只有一条数据线（SDA - 串行数据）用于发送和接收数据（半双工），因此需要一种方案，使通信中的主设备和从设备都能控制数据线，而不会发生冲突。必须避免总线冲突，即一个设备试图向总线写入高电平，而另一个设备试图向总线写入低电平，这将造成短路。

为了实现这一目标，我们采用了一种开漏方案，即任一设备只能将总线驱动为 "低 "或以其他方式 "释放"，而上拉电阻则用于在总线释放时将线路拉高（如果你不熟悉开漏或上拉电阻这两个术语，请参阅我们的相关文章）。时钟线（SCL - 串行时钟）也采用了这种方案，并使用一些创新技术为 I2C 协议添加了一些有用的功能--稍后将详细介绍。

下图说明了 I2C 通信序列的典型特征：

通信开始时，I2C 总线处于空闲状态--时钟线和数据线均无驱动，因此被上拉电阻器拉高。然后，主设备（启动通信的设备）首先将 SDA 线拉高，然后将 SCL 线拉低，从而启动通信--这被定义为启动条件。

接着，主站传输希望与之通信的设备的 7 位地址，然后是一个 "读或写 入"位，表示主站希望向设备写入 (0) 还是从设备读取 (1)。数据线在时钟线的上升沿被视为有效（从设备读取），数据先传输最重要位（MSB）（如果你不熟悉 "最小有效位 "和 "最重要位 "这两个术语，可以本文阅读更多内容）。

地址传输完成后，假定被寻址的从属设备存在于 I2C 总线上，主设备将释放数据线（漏极开路），从属设备将在一个时钟周期内保持数据线低电平，以确认（ack）其存在并准备通信。如果从属设备不在总线上，则上拉电阻会将数据线拉高，主设备就知道从属设备不可用。

在这个阶段，数据可在主站和从站之间传输。如果正在读取数据，则从站将传输数据（同时主站继续驱动时钟线）；如果正在写入数据，则主站将传输数据。每个数据字节后都有一个 Ack 位，在此期间，接收器（可能是主站，也可能是从站，取决于哪一方传输数据）应将数据线保持为低电平，以表示它已接收到通信（并已准备好进行下一次通信，如果适用的话。）

时钟拉伸

I2C 总线上的从属设备可以通过将时钟 (SCL) 线保持为低电平来延迟响应（如果它们仍在忙并且尚未准备好响应），这种功能被称为 "时钟拉伸"；一旦准备好响应，从属设备就会释放时钟线并继续数据传输。这与 UART 的流量控制线（CTS/RTS）类似，但不需要额外的通信线路（注意 SPI 协议没有流量控制功能）。

一个或多个数据字节可依次传送，每个字节后都会出现一个应答。

重复启动

由于从属设备可能有许多可读取的值（如多个传感器读数值以及设置值），因此从属设备可能要求主设备在进行实际读取之前，首先写入一条指令，说明要读取的内容。在这种情况下，主站将首先发出一条写入指令，其中的数据就是要读取的内容，然后主站将立即发出读取指令。但在这中间不会发出停止，而是主站使用重复启动条件（随后是 7 位地址和 1 位读/写位，显然现在已设置为读取）来实现从写入到读取的切换。要发出重复启动，主站首先将数据线置高，然后将时钟线置低，最后将数据线置低，再将时钟线置高。

数据速率和距离

I2C 总线上的通信速度通常为 100kHz 或 400kHz。这些相对较低的速度可满足少量数据传输的需要，但 SPI（使用 MHz 范围内的时钟，可能采用双模式或四模式）通常是需要传输大量数据的高吞吐量应用的首选。I2C 通常只用于相对较短的通信距离，但也有通过差分对传输 I2C 以实现较长距离通信的方案（有关差分对的更多信息，请参阅我们有关高速设计的文章）。

Proteus 包括一个双模式（主模式或从模式）I2C 协议分析仪，你可以将其放置在原理图上并布线。然后，你就键入 I2C 序列并将其注入到正在运行的仿真中，并可以查看从 I2C 总线上的其他设备接收到的数据包。这是一个出色的教学工具，可以快速、轻松地测试主模式和从模式固件。你会发现许多示例设计都包括与传感器或多处理器项目的 I2C 通信，这些都可以在演示版中进行模拟。