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I2C，通常被稱為“I two C”，是“Inter-Integrated Circuit protocol”（互連集成電路協(xié)議）的縮寫。I2C 于1982年由飛利浦半導(dǎo)體公司（現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)體）發(fā)明，是一種低速通信協(xié)議，用于連接微處理器主設(shè)備與低速外設(shè)從設(shè)備。自2006年起，實(shí)現(xiàn)I2C協(xié)議不再需要許可證，許多半導(dǎo)體設(shè)備公司，都推出了兼容I2C的設(shè)備。

I2C協(xié)議被廣泛使用的原因有很多。它只需要兩條線路進(jìn)行通信。與其他串行通信協(xié)議一樣，I2C有一條串行數(shù)據(jù)線和一條串行時(shí)鐘線。通過僅有的這兩條線路，I2C可以連接到總線上的多個(gè)設(shè)備。主設(shè)備可以通過串行數(shù)據(jù)線發(fā)送的I2C地址與任何從設(shè)備進(jìn)行通信。I2C對(duì)于設(shè)備制造商來說簡單且經(jīng)濟(jì)，易于實(shí)現(xiàn)。

I2C 有幾種速度模式，首先是標(biāo)準(zhǔn)模式，這是一種串行協(xié)議，速度最高可達(dá)每秒100千比特。接下來是快速模式，其速度上限為每秒400千比特。這兩種協(xié)議都得到了廣泛支持，如果總線電容和驅(qū)動(dòng)能力允許更高的速度，主設(shè)備可以使用快速模式。

快速模式增強(qiáng)版（Fast mode plus）允許通信速度高達(dá)每秒1兆比特。為了達(dá)到這一速度，驅(qū)動(dòng)器可能需要額外的強(qiáng)度來滿足更快的上升和下降時(shí)間要求。

這三種模式在本質(zhì)上相對(duì)相似，都采用了相同的通信結(jié)構(gòu)。然而，它們各自具有不同的時(shí)序規(guī)范，以適應(yīng)不同的速度要求，而且設(shè)備中I2C的硬件實(shí)現(xiàn)方式也有所不同，以支持這些不同的速度。

I2C 還有兩種用于更高數(shù)據(jù)速率的模式。高速模式（High-Speed Mode）的數(shù)據(jù)速率可達(dá)每秒3.4兆比特。在這種模式下，主設(shè)備必須首先使用一個(gè)主代碼（master code）來啟用高速數(shù)據(jù)傳輸。這將激活從設(shè)備中的高速模式。此外，該模式可能還需要一個(gè)有源上拉電路（active pull-up），以便以更高的數(shù)據(jù)速率驅(qū)動(dòng)通信線路。

超快速模式（Ultra-Fast Mode）是最快的運(yùn)行模式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)每秒5兆比特。這種模式僅支持寫入操作，并且在通信協(xié)議中省略了一些I2C特性。

I2C 成為一種常見協(xié)議的原因之一是其通信僅使用兩條線路。第一條線路是 SCL（Serial Clock Line），這是一個(gè)主要由主設(shè)備控制的串行時(shí)鐘。SCL 用于同步地將數(shù)據(jù)輸入和輸出從設(shè)備。第二條線路是 SDA（Serial Data Line），即串行數(shù)據(jù)線。SDA 用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。相比之下，串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議需要四條線路進(jìn)行通信。除了串行時(shí)鐘外，SPI 的芯片選擇線用于選擇通信設(shè)備，還有兩條數(shù)據(jù)線，分別用于從設(shè)備的輸入和輸出。

對(duì)于 I2C，主設(shè)備控制串行時(shí)鐘 SCL，而 SDA 用于雙向傳輸數(shù)據(jù)。SDA 是雙向的，這意味著主設(shè)備和從設(shè)備都可以在該線上發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，主設(shè)備可以向從設(shè)備發(fā)送配置數(shù)據(jù)，而從設(shè)備可以將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送回主設(shè)備。通信是半雙工的，即在總線上一次只有一個(gè)主設(shè)備或從設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)。

I2C 主設(shè)備開始和停止通信，這消除了總線爭用的潛在問題。此外，與從設(shè)備的通信是通過總線上的唯一地址發(fā)送的。這使得 I2C 總線上可以同時(shí)存在多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備。

SDA 和 SCL 線通過開漏（open-drain）連接與總線上的所有設(shè)備相連。這需要一個(gè)上拉電阻連接到公共電源電壓。

開漏（open-drain）連接用于 SDA 和 SCL 兩條線路，并連接到一個(gè) NMOS 晶體管。此圖展示了一個(gè) I2C 設(shè)備通過上拉電阻連接到 SDA 或 SCL 線，并連接到 VDD。這種開漏連接控制 I2C 通信線路，并將其拉低或釋放為高電平。

為了設(shè)置 SDA 或 SCL 線的電壓電平，NMOS 被設(shè)置為導(dǎo)通（ON）或關(guān)閉（OFF）。當(dāng) NMOS 導(dǎo)通時(shí)，設(shè)備通過電阻將電流拉至地，從而使線路電平拉低。通常，I2C 從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換速度很快，因?yàn)?NMOS 在 SDA 和 SCL 上向下拉。轉(zhuǎn)換的速度由 NMOS 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和 SDA 或 SCL 上的總線電容決定。

當(dāng) NMOS 關(guān)閉時(shí)，設(shè)備停止拉取電流，上拉電阻將 SDA 或 SCL 線拉至 VDD 電壓，從而使線路呈現(xiàn)高電平。通過控制這種開漏（open-drain）連接，SDA 和 SCL 均可以被設(shè)置為高電平或低電平，從而實(shí)現(xiàn) I2C 通信。

由于 I2C 通信線路存在電容，SDA 或 SCL 線路的放電過程會(huì)呈現(xiàn)出指數(shù)型的 RC 時(shí)間常數(shù)特性，具體取決于上拉電阻的大小以及 I2C 總線上的電容值。

通常情況下，上拉電阻的阻值被設(shè)置在 1 千歐姆到 10 千歐姆之間。總線的速度可能會(huì)對(duì)電阻的大小產(chǎn)生影響。如果采用更高的電阻值，I2C 總線拉高線路的速度可能會(huì)變慢，從而限制總線的速度。

總線線路的電容也會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生影響。較高的電容會(huì)限制 I2C 通信的速度、總線上的設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備之間的物理距離。

較小的上拉電阻具有更快的上升時(shí)間，但通信時(shí)需要更多的功率。較大的上拉電阻具有更慢的上升時(shí)間，從而導(dǎo)致通信速度變慢，但需要的功率更少。

I2C 使用開漏（open-drain）連接的一個(gè)好處是，總線爭用不會(huì)將總線置于破壞性狀態(tài)。通過開漏輸出，許多設(shè)備可以連接在一起。在任何連接的輸出上，如果任何一個(gè)輸出將線路拉低，那么線路就會(huì)呈現(xiàn)低電平。這種連接方式被稱為“線與（wired-OR）”。當(dāng)所有輸出連接在一起時(shí)，輸出是所有輸出的邏輯“或”（OR）。

如果輸出是推挽（push-pull）類型，那么它們不能連接在一起，否則可能會(huì)出現(xiàn)破壞性狀態(tài)。推挽輸出具有互補(bǔ)的 NMOS 和 PMOS 晶體管，用于驅(qū)動(dòng)輸出高電平或低電平。如果將它們連接在一起，一個(gè)輸出為高電平而另一個(gè)輸出為低電平，這種總線爭用會(huì)導(dǎo)致一個(gè)不確定的狀態(tài)，可能會(huì)穩(wěn)定在電源中點(diǎn)。此外，一個(gè)設(shè)備的 NMOS 導(dǎo)通電流，而另一個(gè)設(shè)備的 PMOS 導(dǎo)通電流。這將從 VDD 到 GND 通過一個(gè)非常低阻抗的路徑傳導(dǎo)電流，傳導(dǎo)的電流量取決于晶體管的允許范圍。這可能會(huì)是一個(gè)相當(dāng)大的電流，可能會(huì)損壞設(shè)備。

I2C 通信是由主設(shè)備通過發(fā)送 I2C 起始條件（START condition）來發(fā)起的。如果總線是空閑的，一個(gè) I2C 主設(shè)備可以通過發(fā)送 I2C START 條件來搶占總線進(jìn)行通信。為此，主設(shè)備首先將 SDA 拉低，然后將 SCL 拉低。這個(gè)序列表明主設(shè)備正在搶占 I2C 總線進(jìn)行通信，迫使總線上的其他主設(shè)備暫停它們的通信。

當(dāng)主設(shè)備完成其通信后，它先將 SCL 釋放為高電平，然后將 SDA 釋放為高電平。這表示一個(gè) I2C 停止條件（STOP condition）。這會(huì)釋放總線，允許其他主設(shè)備進(jìn)行通信，或者允許同一個(gè)主設(shè)備與另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

I2C 使用一系列的 1 和 0 來進(jìn)行串行通信。SDA 用于傳輸數(shù)據(jù)位，而 SCL 是串行時(shí)鐘，用于對(duì)位序列進(jìn)行計(jì)時(shí)。

當(dāng) SDA 釋放線路時(shí)，允許上拉電阻將線路拉至高電平，從而發(fā)送邏輯 1。

當(dāng) SDA 將線路拉低時(shí)，設(shè)置一個(gè)接近地電平的低電平，從而發(fā)送邏輯 0。

在 SCL 脈沖時(shí)接收 1 和 0。對(duì)于一個(gè)有效的位，在該位的 SCL 上升沿和下降沿之間，SDA 不會(huì)發(fā)生變化。如果 SDA 在 SCL 的上升沿和下降沿之間發(fā)生變化，這可能會(huì)被解釋為 I2C 總線上的 STOP 或 START 條件。

I2C 協(xié)議被劃分為多個(gè)幀（frames）。通信從主設(shè)備發(fā)送一個(gè)地址幀（address frame）開始。地址幀后面跟著一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)幀（data frames），每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)字節(jié)（byte）。每個(gè)幀還包含一個(gè)確認(rèn)位（acknowledge bit），以確保從設(shè)備或主設(shè)備已經(jīng)接收到了通信內(nèi)容。

在地址幀的開始，主設(shè)備發(fā)起一個(gè) START 條件。首先，主設(shè)備將 SDA 拉低，然后將 SCL 拉低以完成 START 操作。這使得主設(shè)備能夠在沒有總線上其他主設(shè)備爭用的情況下?lián)屨伎偩€。

每個(gè) I2C 從設(shè)備都有一個(gè)相關(guān)的 I2C 地址。當(dāng)主設(shè)備想要與某個(gè)特定設(shè)備通信時(shí)，它會(huì)使用該設(shè)備的地址在隨后的 I2C 幀中發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。I2C 地址由 7 位組成，總線上的 I2C 設(shè)備應(yīng)具有唯一的地址。

一個(gè) 7 位地址通常意味著有2^7（或 128 個(gè)）唯一的地址。然而，有一些 I2C 地址是保留的，這限制了可能的設(shè)備數(shù)量。地址通過 SDA 作為數(shù)據(jù)線和 SCL 作為串行時(shí)鐘線發(fā)送。憑借這些信息，你應(yīng)該能夠讀懂設(shè)備的 I2C 通信內(nèi)容，并理解主設(shè)備與從設(shè)備之間發(fā)送和接收的內(nèi)容。

在地址之后是讀寫位。如果該位是 1，那么主設(shè)備要求從設(shè)備從它那里讀取數(shù)據(jù)。如果該位是 0，那么主設(shè)備要求向從設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。

在主設(shè)備和從設(shè)備之間的任何一次通信字節(jié)之后，都會(huì)使用一個(gè)額外的位來驗(yàn)證通信是否成功。在地址字節(jié)通信結(jié)束時(shí)，從設(shè)備會(huì)在 SCL 脈沖期間將 SDA 拉低，以表明它理解到它被主設(shè)備聯(lián)系到了。這被稱為 ACK（確認(rèn)位）。如果這個(gè)位是高電平，那么沒有從設(shè)備理解到它被聯(lián)系到了，通信是不成功的。如果這個(gè)位是高電平，這被稱為 NACK（未確認(rèn)），即沒有確認(rèn)位。

地址幀之后是一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)幀。這些幀是一次發(fā)送一個(gè)字節(jié)的。

在數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸完成后，會(huì)有一個(gè)確認(rèn)信號(hào)（ACK）。如果數(shù)據(jù)字節(jié)是寫入設(shè)備的，那么從設(shè)備會(huì)將 SDA 拉低以確認(rèn)（ACK）傳輸。如果數(shù)據(jù)字節(jié)是從設(shè)備讀取的，主設(shè)備會(huì)將 SDA 拉低以確認(rèn)（ACK）數(shù)據(jù)的接收。