集成电路总线I2C

STM32 2024年9月11日

I2C总线

I2C总线的概念

UART 作为一种经典的串行通信方式，大部分微处理器都集成了相关的通信外设，因此应用非常广泛。然而，随着硬件的发展，UART 在某些应用场景中的限制也越来越大。

UART 最大的缺点在于，它通常只是点对点的通信，不支持一台设备到多台设备间的通信。如果想通过 UART 实现一对多的通信，那么要么使用多个 UART 外设，要么设计一套复杂的应用层实现多个设备的管理和通信。

除此之外，UART 是一种异步的通信方式，没有时钟信号协调双方的通信速率，无法控制何时发送数据，也无法保证双发按照完全相同的速度接收数据。因此，通信双方必须事先设置相同的通信速率（波特率），还要在发送每个字节时提供额外的起始位和停止位，以帮助接收器在数据到达时进行同步。如果发送端的通信过程中被中断干扰，那么接收端将会接收到完全错误的数据。因此 UART 的发送过程非常依赖硬件外设的支持。

IIC 总线 (Inter-Integrated Circuit, 集成电路总线)，也写作 I2C 或 I2C，一般读作 I 方 C ，是 Philips 公司设计出来的一种简单、双向的串行总线。I2C 的最大特点为：同步和多设备。

I2C 只需要使用两根线，即可在连接于总线上的器件之间传送信息：一根是串行数据线(Serial Data Line, SDA)，一根是串行时钟线(Serial Clock Line, SCL)。数据线用来传输数据，时钟线用于同步收发的数据。

I2C 总线是一个多主机的总线，所谓主机就是指负责整个系统的任务协调与分配的设备（一般为单片机或类似功能的处理器）。与之相对的概念是从机，从机一般只能被动接收主机的指令，只有在主机允许的情况下才能主动发送信息。主机和从机之间通过总线连接，实现数据通信。因此 I2C 可以连接多于一个能控制总线的器件到总线。

下图展示了一个 I2C 总线的工作情景示意：

I2C 协议为半双工通信协议，即总线可以双向传输数据，但任意时刻只能存在单向的传输，需要等待传输结束才可能更换方向。因此同一时刻只能存在一个主机，不过主机和从机的角色可以互换。

I2C物理层内容

物理层即硬件上的规定，包括硬件如何连接以及输入输出的方式等。

I2C 设备的硬件接线非常简单，只需要将所有设备的 SCL 接在一起、SDA 接在一起即可，就像以上概念图那样。但是这种连接方式有个问题：所有的设备都可能向 SDA 线输出数据，如果一台设备的输出处于高电平状态，另一台设备主动输出低电平时，可能造成输出短路的问题。

为了避免这种状态，I2C 规定连接到 SCL 和 SDA 的设备都需要配置为开漏输出模式，并采用一个阻值较小（一般为 4.7KΩ ，总线上设备较多的话可以适当减小这个阻值）的上拉电阻接到外置驱动电源。当 I2C 设备输出为 1 时，并没有直接输出电平，而是处于高阻态，由上拉电阻把总线拉成高电平；当设备输出 0 时，上拉电阻可以防止电源和地直接接触而导致短路：

开漏输出的特点是，只有在总线处于低电平时才能保证有设备在主动输出。

I2C 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kb/s ，快速模式为 400kb/s ，高速模式下可达 3.4Mb/s ，但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。

I2C协议层内容

协议层规定了 I2C 完成物理层连接后，总线上如何产生信号（时序）来表示数据。

  1. 起始和停止

在所有设备初始化后，设备还没有对外输出，因此 SCL 和 SDA 都被上拉电阻拉至高电平。此时，主机可以使时钟线 SCL 保持高电平，同时主动将数据线 SDA 由高电平拉低为低电平，表示起始信号；在所有数据都传输完成后，主机可以先将数据线 SDA 拉低，并将时钟线 SCL 保持为高电平，这期间自然地退出数据线 SDA 的控制，使其恢复为高电平，表示终止传输，回到起始之前的状态，如下图所示：

I2C 的开始和结束表示方法

起始和终止信号都是由主机发出的。一次完整的数据传输总是以起始条件开始，终止条件结束。

  1. 传输的数据

在起止信号之间，I2C 总线可以传送数据。当主机主动控制时钟线 SCL ，将其拉低时，主机或从机可以控制数据线 SDA 并准备数据；当主机停止控制 SCL ，恢复为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，同时主机或从机可以读取数据：

I2C 的数据表示方法

总之，SCL 低电平时，发送方可以发送数据；SCL 高电平时，接收方需要接收数据。通过这种时钟同步的设计，收发两方只需要听时钟线的指挥即可，不用预先指定通信速率。

同时，如果主机因为某种原因（如进入中断）暂停发送或接受数据，那么时钟线也暂停指挥，从机的动作也将暂停。

时钟线每一轮变化，就可以发送一个二进制位，依次循环上述过程就可以发送所有的数据。

  1. 数据帧的构成：地址

通过以上的协议层规定，I2C 总线已经可以发送二进制信息了。不过这些二进制信息并不都是实际的数据。就像 UART 的数据帧还包含了校验位和停止位一样，I2C 的数据帧也包含了额外的信息。

下图展示了 I2C 的数据帧格式，每个数据帧都位于一对起始和终止信号内：

I2C 数据帧格式

首先，一个 I2C 总线可能挂载多个设备。为了确定数据发给哪个从机，需要为每个从机编排一个地址。在 I2C 协议中，总线上的每个设备都具有一个地址，I2C 协议标准规定地址可以是 7 位或 10 位的，但目前应用最多的还是 7 位地址。这个地址会在每个 I2C 设备出厂时由厂商分配，因此每个设备的地址都是固定的，通常每种型号设备的地址也都是相同的，可以在对应的 datasheet 里找到。

很多情况下，I2C 器件都会提供一些硬件接口，可以通过修改这些硬件接口（例如通过外部引脚读入电平）来更改设备地址的低几位，从而实现灵活地切换地址，避免因为地址相同造成的冲突。

主机在发送起始信号后，第一步需要发送的就是从机的地址，以指定和哪个从机通信，其余的从机判断地址不一致后就无需读取后面的数据了。如果主机需要换一台设备通信，那么可以不产生终止信号，立即再次发出起始信号并发送其它地址指定别的从机。

  1. 数据帧的构成：读写标志

紧跟设备地址的一个二进制位用来表示数据传输方向，它是数据方向位 R/W— ，该位为 0 表示主机向从机写数据，由主机控制 SDA ；为 1 表示主机由从机读数据；由从机控制 SDA 。

  1. 数据帧的构成：应答

I2C 协议规定，每个数据帧的传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。但是每当发送器件传输完一个字节的数据后，接收到数据的从机需要控制数据线 SDA 发出一个校验位。这个校验位包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号，应答时需要由从机主动将 SDA 拉低得到：

从机的应答和非应答

如果从机发送应答(ACK)信号，表示希望对方继续发送字节，主机接到信号后可以继续发送；如果从机发送非应答(NACK)信号，表示接收端希望结束数据传输，主机接收到该信号后应该产生一个停止信号，并结束信号传输。

不管是主机发送数据还是从机发送数据，时钟线 SCL 总是由主机控制，从机根据时钟决定何时发送信号

  1. 数据的构成：数据

除了开头的第一个字节表示地址和读写标志以外，其余所有的字节都表示传输的实际数据。当然，这些数据接收方到底应该如何解读，那就是应用层的规定了，I2C 只负责将这些数据交付到位。

别忘了每个字节发送完成后，接收方都需要发送一个应答信号。

还要注意的是，I2C 的数据发生过程是高位先行，所以第一个发送的是一个字节的最高位，第二个发送的是次高位，以此类推。

注意和 UART 相区分，UART 的发送过程中是低位先发送。

接下来通过具体的程序实现 I2C 总线通信。

I2C读写示例

软件I2C的实现

I2C 是同步时序，主机可以自由决定通信的速率，因此控制起来比较轻松。这里介绍通过软件控制 GPIO ，产生 I2C 所需要的时序的基本代码。

首先是 I2C 的起始和终止的信号：SCL 保持高电平期间，将 SDA 从高拉低表示起始信号，将 SDA 从低回高表示终止：

void sI2C_Start(void) {
    SDA_OutMode();
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay_us(10);
    SDA = 0;
    delay_us(10);
}

void sI2C_Stop(void) {
    SDA_OutMode();
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    delay_us(10);
    SDA = 1;
    delay_us(10);
}

如果是使用 7 位地址的话，可以将这 7 位地址和 1 位读写标志合并为一个字节，并且之后主机发送的单位也都是字节，因此程序只需要统一编写一个发送字节的函数即可。

在发送字节时，需要先发送高位，这点可以通过掩码与左移位实现；在发送二进制位时，可以通过 SCL 确定当前的操作：在 SCL = 0 时，主机准备数据直到确定 SDA 输出，然后让 SCL = 1 ，等待一小段时间让从机读取数据，然后再让 SCL = 0 ，准备下一个数据；在发完所有数据后，不要忘记让 SDA = 1 释放总线的控制权：

void sI2C_SendByte(uint8_t SendData) {
    SDA_OutMode();
    SCL = 0;
    for (uint8_t Bit = 0; Bit < 8; Bit++) {
        if ((SendData & 0x80) == 0x80)
            SDA = 1;
        else
            SDA = 0;

        SCL = 1;
        delay_us(5);
        SCL = 0;
        delay_us(5);

        SendData <<= 1;
    }
    SCL = 1;
}

在发送完成后，需要等待从机的 ACK 信号，同样也是拉低 SCL 准备数据，回高 SCL 读数据，不过要注意读到 1 代表从机为非应答：（在 SendByte() 函数中，发送完成之后有拉低 SCL 准备的行为，在最后一次发送时从机就会产生 ACK 信号了）

bool sI2C_WaitAck(void) {
    SDA_InMode();
    SCL = 1;
    delay_us(5);

    bool ack = 1;
    if (SDA == 0)
        ack = 0;
    else
        ack = 1;

    SCL = 0;
    delay_us(5);
    return ack;
}

在发送一个字节后，设备需要处理，因此等待应答时，应该预留足够的时间。如果要考虑通用性，此处可以做超时处理。

综合以上函数，主机通过 I2C 发送数据的工具已经具备了：主机先通过 Start() 函数产生起始信号，然后逐一通过 SendByte() 发送地址+读写的字节和每个数据字节，每次发送完成后通过 WaitAck() 读取从机应答。最后，主机通过 Stop() 函数结束本次通信。

设备作为主机也可能读取数据，读取数据的方式和发送的方式也是类似的，可以通过 SCL 的状态拆解接收流程：SCL = 0 等待从机准备数据，SCL = 1 读取数据：

uint8_t sI2C_RecvByte(void) {
    SDA_InMode();
    SCL = 0;
    uint8_t RecvData = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        RecvData <<= 1;

        SCL = 1;
        delay_us(5);
        if (SDA == 1) {
            RecvData++;
        }

        SCL = 0;
        delay_us(5);
    }
    return RecvData;
}

设备接收完数据后，可以视情况发送 ACK 和 NACK 应答：ACK 就是在 SCL 为高时拉低 SDA ，NACK 就是让 SCL 和 SDA 都为高：

void sI2C_Ack(void) {
    SDA_OutMode();
    SCL = 0;
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    SCL = 0;
    delay_us(5);
}

void sI2C_NAck(void) {
    SDA_OutMode();
    SCL = 0;
    SDA = 1;
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    SCL = 0;
    delay_us(5);
}

现在，主机接收数据的工具也都具备了。主机在 Start() 之后发送带读标志的字节，然后通过 ReadByte() 读读取每个数据字节，每次读取完成后视情况发送合适的应答。

接下来通过一个具体的器件 AT24C02 实现软件 I2C 通信。

AT24C02器件简介

本次使用 I2C 读写的示例器件是 AT24C02 ，它是一个 EEPROM 存储器，可以存储 256 bytes 的数据。并且相比 Flash ，它具有很高的稳定性：多达 1 百万次的擦写寿命，并且可以轻松将数据保存 100 年之久。

该器件的典型引脚结构如下图所示：

其中，VCC 是输入电源，一般为 1.8V 至 5.5V ，VSS 接地，SDA 和 SCL 是 I2C 通信接口，这些没什么好说的。

值得注意的是 A0/A1/A2 这三个引脚。在 AT24C02 中，器件的地址是由器件类型号（固有地址）和 A0/A1/A2 这三个输入地址构成。其中器件类型号 4 位固定为 0b1010 ，输入地址则由 A0/A1/A2 输入引脚的电平决定。通过 A0/A1/A2 输入引脚的不同接法，At24C02 的器件地址可以是 0b1010000~0b1010111 这 8 个地址，因此同一个 I2C 总线上最多可以挂载 8 台这样的设备。

一般情况下，将 A0/A1/A2 均接地，得到 AT24C02 的设备地址为 0b1010000 即 0x50 。

AT24C02 芯片还有一个写保护引脚 WP ，当该引脚为高电平时，将会禁止数据写入，从而防止数据被意外修改。如果不使用写保护功能，直接将该引脚接地即可。

软件I2C读写AT24C02

AT24C02 的写入有两种方式：一种是按字节写(byte write)，字节写要求在发送器件地址和写标志后，发送的第一个字节代表要写入数据的地址，第二个字节代表要写入的数据。如果 AT24C02 对这三个字节都回复 ACK ，代表这个字节写入成功，接着主设备发送停止信号终止本次写入。

AT24C02 还支持按页写(page write)，主设备如果在发送要写入的数据后，没有发送停止条件，那么它在接收到 ACK 应答以后，可以继续发送 7 个字节数据，这 8 个字节（一“页”）都将被写入 EEPROM 中。AT24C02 内部会将会指定的写入地址保存为一个指针，每写入一个字节，这个指针的值就加 1 ，这样下一个字节就可以写入后一个地址位置。不过要注意的是，页写的方式下写入的数据不能超过页的大小（一般为 8 个字节），否则这个指针将会返回一开始指定的位置，并覆盖最先写入的数据。

这么看来，AT24C02 只支持 8 位地址寻址，最多只能读写 255 bytes 的数据。而一条总线上最多挂载 8 台这种型号的设备，使得单个主设备实际最多可以读写 2KB 的数据。AT24C16 利用这种思路，可以通过外部引脚切换读写的块，实现单个设备 2KB 的容量。

通过以上的介绍，利用以上提供的工具即可实现 AT24C02 的字节写入。在起始和结束信号前，需要发送 3 个字节，并等待 3 次响应。这 3 个字节的含义分别为：

  1. AT24C02 地址和读写标志
  2. 要写入的地址
  3. 要写入的数据

以上过程对应为函数就是：

void AT24C02_WriteByte(uint8_t Address, uint8_t Data) {
    sI2C_Start();
    sI2C_SendByte(0xA0);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_SendByte(Address);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_SendByte(Data);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_Stop();
}

I2C 通信时，常将 7 位地址跟读写方向位合并构成一个 8 位的字节统一发送，因此当 R/W 位为 0（写方向）时，将合并后的字节 0xA0 称为该 I2C 设备的“写地址”；当 R/W 位为 1（读方向）时，将合并后的字节 0xA1 称为设备的“读地址”。

以上程序并没有对是否应答做判断，如果为了程序的稳定，最好判断应答状态，注意读到 0 才为应答。

按页写入的程序编写非常类似，只要重复发送数据的环节即可。

然后是数据的读取，读操作与写操作类似，注意器件地址中的读/写标志位应为 1 。数据的读取有三种方式，最基本的是随机读(random read)，随机读也由这样三个字节构成：

  1. 器件的地址
  2. 要读出数据的地址
  3. 读出的数据

由于要读出数据的地址应该由主机发送，而读出的数据应该由主机接收，因此主机需要发送两次器件地址来切换读写标志位，也就是需要产生两次起始信号（中途可以不产生终止信号），相应的实现为：

void AT24C02_ReadByte(uint8_t Address, uint8_t* Data) {
    sI2C_Start();
    sI2C_SendByte(0xA0);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_SendByte(Address);
    sI2C_WaitAck();
   
    sI2C_Start();
    sI2C_SendByte(0xA1);
    sI2C_WaitAck();
    *Data = sI2C_RecvByte();    
    sI2C_NAck();
    sI2C_Stop();
}

在发送前两个字节时，AT24C02 都应该应答 ACK ，为了检验数据的有效性，可以考虑在程序中检查是否有 ACK 。在发送读标志后，AT24C02 随时钟送出数据，主机通过非应答 NACK 结束本次读取，并发送停止信号。

AT24C02 还有一种当前地址读(current address read)的方式。只要 AT24C02 有电，它的内部会保存着上次访问时最后一个地址 +1 的指针。如果不指定读的地址，那么就会通过该指针继续读取下一个字节。当读到最后一个可用的地址时，指针会绕回 0 重新读取。

除此之外，AT24C02 还可以通过顺序读(sequential read)的方式读取多个字节。如果在当前地址读或随机读接收到数据后，应答了 ACK ，AT24C02 将自动增加地址，并继续随时钟发送后面的数据。只要主机一直应答，就可以一直读取数据（若读到最后一个可用的地址，地址自动绕回到 0 ，仍可继续顺序读取数据），相应的程序实现如下：

void AT24C02_Read(uint8_t Address, uint8_t* Buffer, uint8_t Size) {
    uint8_t *p = Buffer;
    sI2C_Start();
    sI2C_SendByte(0xA0);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_SendByte(Address);
    sI2C_WaitAck();
    sI2C_Start();
    sI2C_SendByte(0xA1);
    sI2C_WaitAck();
    Size -= 1;
    while (Size--) {
        *p++ = sI2C_RecvByte();
        sI2C_Ack();
    }
    *p = sI2C_RecvByte();
    sI2C_NAck();
    sI2C_Stop();
}

总的来说，I2C 是一种较为经典的同步串行通信协议，本节介绍了该协议物理层和协议层的内容，并通过器件 AT24C02 展示了 I2C 的应用。AT24C02 作为一种经典的 I2C 器件，许多 I2C 设备的读写过程也是类似的器件地址 + 寄存器或存储器地址 + 数据的形式，熟悉了 AT24C02 后就很容易举一反三，因而非常具有研究价值。

由于篇幅限制，本文只介绍了 I2C 协议的部分规定。I2C 协议还包含了很多其它内容，包括 10 位地址的发送方式、多主机的总线仲裁、从机接收的软件处理等。如果想更好地了解 I2C 通信的细节，可以阅读以下的官方文档。

参考资料/延伸阅读

I2C-bus specification and user manual

I2C Manual

AT24C0x datasheet

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