I²C

I²C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间通信总线）是一种常见的 同步串行通信总线，由 Philips 公司在 1980 年代提出，现已成为嵌入式系统中使用最广泛的低速通信接口之一。它采用双线通信方式，支持多主多从结构，常用于主控芯片与传感器、存储器、外围模块之间的通信。I²C 的最大特点是硬件资源需求极少，只需两根信号线即可实现设备间的数据交换。

1. 物理结构

I²C 只需要两条信号线：

• SCL（Serial Clock Line，时钟线）
• SDA（Serial Data Line，数据线）

两条线均为 开漏/开集电极 输出，必须通过上拉电阻接到电源（一般为 3.3V 或 5V）。这意味着总线上任意一个器件可以将信号线拉低，但不能主动拉高，保持了“线与”的总线特性，从而实现多主多从的共享通信。

   ┌─────┐
   │ 主机 │
   └─┬─┬─┘
     │ │
SCL──┘ └──SCL
SDA──┐ ┌──SDA
   ┌─┴─┴─┐
   │ 从机 │
   └─────┘
   （其余从机并联在总线上）

2. 帧格式

I²C 的通信以消息为单位，而消息由若干“帧”构成。

一般帧结构

┌─────┬─────────────┬──────────┬─────────┬────┐
│ 起始 │ 从机地址+R/W │ ACK/NACK │ 数据字节 │ 停止│
└─────┴─────────────┴──────────┴─────────┴────┘

• 起始位 (START)：由主机产生，SCL 为高时 SDA 从高到低的跳变。
• 地址帧：7 位或 10 位地址 + 1 位读/写标志（0=写，1=读）。
• 应答位 (ACK/NACK)：接收方拉低 SDA 表示应答，拉高表示无应答。
• 数据帧：8 位数据 + 1 位应答。可连续传输多个字节。
• 停止位 (STOP)：由主机产生，SCL 为高时 SDA 从低到高的跳变，表示通信结束。

SDA:  ─────┐   ┌───────┐───────┐───────┐─────
           │ S │Addr+W │  ACK  │  Data │  P
SCL:  ──┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐┌─┘┐──
         ↑起始  ↑地址帧  ↑应答  ↑数据帧  ↑停止

3. 原理

I²C 是一种 同步通信协议。所有数据传输均依赖于时钟信号 SCL 的节奏，SDA 上的数据必须在 SCL 为高电平时稳定，在低电平时允许变化。主机负责产生时钟并控制数据方向，从机根据地址进行响应。由于 SDA 和 SCL 都是“线与”特性，因此即便多个主机同时尝试发起通信，也能通过仲裁机制保证只有一个主机成功获得总线，从而避免冲突。

4. 硬件协议

I²C 的电气特性决定了其灵活性和局限性：

• 通过上拉电阻实现线与逻辑，总线空闲时为高电平。
• 总线上可挂接多个设备，数量仅受寻址空间和总线电容限制。
• 支持 7 位和 10 位两种寻址方式（7 位更常见，最多可挂 112 个有效设备地址）。
• 总线拓扑通常为“星形+并联”，所有设备 SDA、SCL 并联在一起。

5. 参数

I²C 提供了多个速度等级，以适应不同应用场景：

除了速率，I²C 还需要关注 寻址方式（7/10 位）、应答机制（ACK/NACK）、总线长度（电容限制通常 < 400 pF） 等参数。