1、什么是I2C協(xié)議

I2C協(xié)議是一個(gè)允許多個(gè) “從機(jī)” 芯片和一個(gè)或更多的 “主機(jī)” 芯片進(jìn)行通訊的協(xié)議。它就像串行外設(shè)接口（SPI）一樣，只能用于 短距離通信 。又像異步串行接口（如RS232或UART）， 只需要兩根信號線來交換信息。

實(shí)現(xiàn)I2C需要兩根信號線完成信息交換，SCL時(shí)鐘信號線，SDA數(shù)據(jù)輸入/輸出線。它屬于 同步通信 ，由于輸入輸出數(shù)據(jù)均使用一根線，因此通信方向?yàn)?半雙工 。

總結(jié)：短距離、一主多從、半雙工、兩根線、同步通訊

2、名詞解釋

什么是半雙工呢？什么是同步通訊？什么是異步通訊？

2.1 什么是半雙工？

數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)在線路上的傳送方式可以分為 單工通信 、半雙工通信和全雙工通信三種。

單工通信： 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健＠邕b控、遙測(一部分)，就是單工通信方式。單工通信信道是單向信道，發(fā)送端和接收端的身份是固定的，發(fā)送端只能發(fā)送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發(fā)送信息，數(shù)據(jù)信號僅從一端傳送到另一端，即信息流是單方向的。

半雙工： 是指數(shù)據(jù)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送，因此又被稱為 雙向交替通信 。（信息在兩點(diǎn)之間能夠在兩個(gè)方向上進(jìn)行發(fā)送，但不能同時(shí)發(fā)送的工作方式。）半雙工方式要求收發(fā)兩端都有發(fā)送裝置和接收裝置。由于這種方式要頻繁變換信道方向，故效率低，但可以節(jié)約傳輸線路。

全雙工： 是指在通信的任意時(shí)刻，線路上可以同時(shí)存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。 在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器 ，因此，能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式無需進(jìn)行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，這對那些不能有時(shí)間延誤的交互式應(yīng)用（例如遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。比如，電話機(jī)則是一種全雙工設(shè)備，其通話雙方可以同時(shí)進(jìn)行對話。

2.2 什么是同步通訊

同步通信： 發(fā)送端在發(fā)送串行數(shù)據(jù)的同時(shí)，提供一個(gè)時(shí)鐘信號，并按照一定的約定（例如：在時(shí)鐘信號的上升沿的時(shí)候，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去）發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)發(fā)送端提供的時(shí)鐘信號，以及大家的約定，接收數(shù)據(jù)。如：I2C、SPI等有時(shí)鐘信號的協(xié)議，都屬于這種通信方式。

異步通信： 接收方并不知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候會(huì)到達(dá)，收發(fā)雙方可以有各自自己的時(shí)鐘。發(fā)送方發(fā)送的時(shí)間間隔可以不均，接收方是在數(shù)據(jù)的起始位和停止位的幫助下實(shí)現(xiàn)信息同步的。這種傳輸通常是很小的分組，比如：一個(gè)字符為一組，數(shù)據(jù)組配備起始位和結(jié)束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的，因?yàn)轭~外加入了很多的輔助位作為負(fù)載，常用在低速的傳輸中。

同步通信與異步通信區(qū)別：

（1）同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致，發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流；異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步，發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。

（2）同步通信效率高，異步通信效率較低。

（3）同步通信較復(fù)雜，雙方時(shí)鐘的允許誤差較小；異步通信簡單，雙方時(shí)鐘可允許一定誤差。

（4）同步通信可用于點(diǎn)對多點(diǎn)；異步通信只適用于點(diǎn)對點(diǎn)。

3、I2C的功能特點(diǎn)

I2C最重要的功能包括：

• 只需要兩條總線；
• 沒有嚴(yán)格的波特率要求，例如使用RS232，主設(shè)備生成總線時(shí)鐘；
• 所有組件之間都存在簡單的主/從關(guān)系，連接到總線的每個(gè)設(shè)備均可通過唯一地址進(jìn)行軟件尋址；
• I2C是真正的多主設(shè)備總線，可提供仲裁和沖突檢測；
• 傳輸速度：
  • 標(biāo)準(zhǔn)模式：Standard Mode = 100 Kbps
  • 快速模式：Fast Mode = 400 Kbps
  • 高速模式：High speed mode = 3.4 Mbps
  • 超快速模式：Ultra fast mode = 5 Mbps
• 最大主設(shè)備數(shù)：無限制；
• 最大從機(jī)數(shù)：理論上是127；

4、I2C的高阻態(tài)

漏極開路（Open Drain）即高阻狀態(tài)，適用于輸入/輸出，其可獨(dú)立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài)，若需要產(chǎn)生高電平，則需使用外部上拉電阻

高阻狀態(tài)：高阻狀態(tài)是三態(tài)門電路的一種狀態(tài)。邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門電路。電路分析時(shí)高阻態(tài)可做開路理解。

我們知道IIC的所有設(shè)備是接在一根總線上的，那么我們進(jìn)行通信的時(shí)候往往只是幾個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，那么這時(shí)候其余的空閑設(shè)備可能會(huì)受到總線干擾，或者干擾到總線，怎么辦呢？

為了避免總線信號的混亂，IIC的空閑狀態(tài)只能有外部上拉， 而此時(shí)空閑設(shè)備被拉到了高阻態(tài)，也就是相當(dāng)于斷路， 整個(gè)IIC總線只有開啟了的設(shè)備才會(huì)正常進(jìn)行通信，而不會(huì)干擾到其他設(shè)備。

5、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過一條SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)可以分為：

5.1 開始位

當(dāng)主設(shè)備決定開始通訊時(shí)，需要發(fā)送開始信號，并且執(zhí)行以下過程：

• 將SDA線由高電平切換成低電平；
• 將SCL線由高電平切換成低電平；

在主設(shè)備發(fā)送開始條件信號之后，所有從機(jī)即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，并等待接收地址位。

5.2 地址位

地址位支持7bit、10bit，主設(shè)備如果需要向從機(jī)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應(yīng)從機(jī)的地址，然后會(huì)匹配總線上掛載的從機(jī)的地址，故地址為主要用來辨識不同設(shè)備。

地址位由 主機(jī)發(fā)送 ，從設(shè)備負(fù)責(zé)接受并識別該地址是否位自己地址。

5.3 讀寫位

由于I2C是半雙工通訊，所以設(shè)備需要確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍室肓俗x寫位。

• 如果主設(shè)備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備，則該位設(shè)置為 0；
• 如果主設(shè)備需要往從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，則將其設(shè)置為 1 ；

讀寫位由 主機(jī)發(fā)送 ；1表示讀操作，0表示寫操作。

5.4 應(yīng)答位

I2C最大的一個(gè)特點(diǎn)就是有完善的應(yīng)答機(jī)制，從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答信號來通知主機(jī)表示“我收到了”。

應(yīng)答信號： 出現(xiàn)在1個(gè)字節(jié)傳輸完成之后，即第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi)，此時(shí)主機(jī)需要釋放SDA總線，把總線控制權(quán)交給從機(jī)，由于上拉電阻的作用，此時(shí)總線為高電平，如果從機(jī)正確的收到了主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，會(huì)把SDA拉低，表示應(yīng)答響應(yīng)。非應(yīng)答信號： 當(dāng)?shù)?個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí)，SDA保持高電平，表示非應(yīng)答信號。非應(yīng)答信號可能是主機(jī)產(chǎn)生也可能是從機(jī)產(chǎn)生，產(chǎn)生非應(yīng)答信號的情況主要有以下幾種：

• I2C總線上沒有主機(jī)所指定地址的從機(jī)設(shè)備；
• 從機(jī)正在執(zhí)行一些操作，處于忙狀態(tài)，還沒有準(zhǔn)備好與主機(jī)通訊；
• 主機(jī)發(fā)送的一些控制命令，從機(jī)不支持；
• 主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)產(chǎn)生非應(yīng)答信號，通知從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不要再發(fā)數(shù)據(jù)了；

5.5 數(shù)據(jù)位

I2C數(shù)據(jù)總線傳輸要保證在SCL為高電平時(shí)，SDA數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所以SDA上數(shù)據(jù)變化只能在SCL為低電平時(shí)一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位，由發(fā)送方設(shè)置，它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗健０l(fā)送之后會(huì)緊跟一個(gè)ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則從機(jī)發(fā)送ACK。否則，從機(jī)發(fā)送NACK。

數(shù)據(jù)可以重復(fù)發(fā)送多個(gè)，直到接收到停止位為止。

5.6 停止位

當(dāng)主設(shè)備決定結(jié)束通訊時(shí)，需要發(fā)送結(jié)束信號，需要執(zhí)行以下動(dòng)作：

• 先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；
• 再將SCL線從高電平拉到低電平；

5.7 總結(jié)

寫寄存器的標(biāo)準(zhǔn)流程為：

1. Master發(fā)起START
2. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3. Slave發(fā)送ACK
4. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK
5. Slave發(fā)送ACK
6. Master發(fā)送data（8bit），即要寫入寄存器中的數(shù)據(jù)，等待ACK
7. Slave發(fā)送ACK
8. 第6步和第7步可以重復(fù)多次，即順序?qū)懚鄠€(gè)寄存器
9. Master發(fā)起STOP

讀寄存器的標(biāo)準(zhǔn)流程為：

1. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2. Slave發(fā)送ACK
3. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK
4. Slave發(fā)送ACK
5. Master發(fā)起START
6. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7. Slave發(fā)送ACK
8. Slave發(fā)送data（8bit），即寄存器里的值
9. Master發(fā)送ACK
10. 第8步和第9步可以重復(fù)多次，即順序讀多個(gè)寄存器

6、仲裁機(jī)制

在多主的通信系統(tǒng)中。總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點(diǎn)被別的節(jié)點(diǎn)訪問，同時(shí)它們都可以作為主節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。

但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都向總線上發(fā)送啟動(dòng)信號并開始傳送數(shù)據(jù)，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進(jìn)行仲裁的判決，這就是I2C總線上的仲裁。

I2C總線上的仲裁分兩部分：SCL線的同步和SDA線的仲裁。

6.1 SCL線的同步

SCL同步是由于總線具有線 “與” 的邏輯功能（開漏輸出），即只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí)，總線上就表現(xiàn)為低電平。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí)，總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號時(shí)，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時(shí)鐘信號，這就是SCL的同步原理。

在這里插入圖片描述

6.2 SDA線的仲裁

總線仲裁是為了解決多設(shè)備同時(shí)競爭中線控制權(quán)的問題，通過一定的裸機(jī)來決定哪個(gè)設(shè)備能夠獲得最終的總線控制權(quán)。

SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否一致（類似于CAN總線的回讀機(jī)制）。

• 是，繼續(xù)發(fā)送；
• 否則，退出競爭；

I2C總線的控制邏輯：低電平優(yōu)先

SDA線的仲裁可以保證I2C總線系統(tǒng)在多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線時(shí)通信正常進(jìn)行并且數(shù)據(jù)不丟失， 總線系統(tǒng)通過仲裁只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)占據(jù)總線 。

上圖過程分析：

第一個(gè)周期：所有設(shè)備發(fā)送1，做與運(yùn)算后的結(jié)果為1，與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，繼續(xù)發(fā)送；
第二個(gè)周期：所有設(shè)備發(fā)送1，做與運(yùn)算后的結(jié)果為1，與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，繼續(xù)發(fā)送；
第三個(gè)周期：所有設(shè)備發(fā)送0，做與運(yùn)算后的結(jié)果為0，與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，繼續(xù)發(fā)送；
第四個(gè)周期：AB設(shè)備發(fā)送1，C設(shè)備發(fā)送0，做與運(yùn)算后結(jié)果為0，與AB發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，則AB退出競爭，節(jié)點(diǎn)C獲勝；

注：若AB兩個(gè)設(shè)備發(fā)送0，C設(shè)備發(fā)送1，這最后與運(yùn)算結(jié)果為0，與AB數(shù)據(jù)格式相同，與C數(shù)據(jù)格式不同，則C退出，AB繼續(xù)發(fā)送，直至AB中有一個(gè)退出。

SDA仲裁和SCL時(shí)鐘同步處理過程沒有先后關(guān)系，而是同時(shí)進(jìn)行的。

7、I2C死鎖

在實(shí)際使用過程中，I2C比較容易出現(xiàn)的一個(gè)問題就是死鎖 ，死鎖在I2C中主要表現(xiàn)為：I2C死鎖時(shí)表現(xiàn)為SCL為高，SDA一直為低。

在I2C主設(shè)備進(jìn)行讀寫操作的過程中，主設(shè)備在開始信號后控制SCL產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個(gè)時(shí)候，從設(shè)備輸出應(yīng)答信號，將SDA信號拉為低電平。

如果這個(gè)時(shí)候主設(shè)備異常復(fù)位，SCL就會(huì)被釋放為高電平。此時(shí)，如果從設(shè)備沒有復(fù)位，就會(huì)繼續(xù)I2C的應(yīng)答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖剑艜?huì)結(jié)束應(yīng)答信號。

而對于I2C主設(shè)備來說，復(fù)位后檢測SCL和SDA信號，如果發(fā)現(xiàn)SDA信號為低電平，則會(huì)認(rèn)為I2C總線被占用，會(huì)一直等待SCL和SDA信號變?yōu)楦唠娖健?/p>

這樣，I2C主設(shè)備等待從設(shè)備釋放SDA信號，而同時(shí)I2C從設(shè)備又在等待主設(shè)備將SCL信號拉低以釋放應(yīng)答信號，兩者相互等待，I2C總線進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。

同樣，當(dāng)I2C進(jìn)行讀操作，I2C從設(shè)備應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)，如果在這個(gè)時(shí)刻I2C主設(shè)備異常復(fù)位而此時(shí)I2C從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)位正好為0，也會(huì)導(dǎo)致I2C總線進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

8、I2C的代碼實(shí)現(xiàn)

參考了STM32的HAL庫中I2C驅(qū)動(dòng)，主設(shè)備發(fā)送函數(shù)HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下：

/**
  * @brief  Transmits in master mode an amount of data in blocking mode.
  * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified I2C.
  * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
  *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
  * @param  pData Pointer to data buffer
  * @param  Size Amount of data to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, 
                                          uint16_t DevAddress, 
                                          uint8_t *pData, 
                                          uint16_t Size, 
                                          uint32_t Timeout){
  uint32_t tickstart = 0x00U;

  /* Init tickstart for timeout management*/
  tickstart = HAL_GetTick();

  if(hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY){
    /* Wait until BUSY flag is reset */
    if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK){
      return HAL_BUSY;
    }

    /* Process Locked */
    __HAL_LOCK(hi2c);

    /* Check if the I2C is already enabled */
    if((hi2c->Instance->CR1 & I2C_CR1_PE) != I2C_CR1_PE){
      /* Enable I2C peripheral */
      __HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
    }

    /* Disable Pos */
    hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_POS;

    hi2c->State     = HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
    hi2c->Mode      = HAL_I2C_MODE_MASTER;
    hi2c->ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;

    /* Prepare transfer parameters */
    hi2c->pBuffPtr    = pData;
    hi2c->XferCount   = Size;
    hi2c->XferOptions = I2C_NO_OPTION_FRAME;
    hi2c->XferSize    = hi2c->XferCount;

    /* Send Slave Address */
    if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c, DevAddress, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
      if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
        /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);
        return HAL_ERROR;
      }else{
        /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);
        return HAL_TIMEOUT;
      }
    }

    /* Clear ADDR flag */
    __HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);

    while(hi2c->XferSize > 0U){
      /* Wait until TXE flag is set */
      if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
          /* Generate Stop */
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }else{
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
      /* Write data to DR */
      hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
      hi2c->XferCount--;
      hi2c->XferSize--;

      if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET) 
         && (hi2c->XferSize != 0U)){
        /* Write data to DR */
        hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
        hi2c->XferCount--;
        hi2c->XferSize--;
      }
      /* Wait until BTF flag is set */
      if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK){
          
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF){
          /* Generate Stop */
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }else{
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
    }

    /* Generate Stop */
    hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

    hi2c->State = HAL_I2C_STATE_READY;
    hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
    
    /* Process Unlocked */
    __HAL_UNLOCK(hi2c);

    return HAL_OK;
  }else{
    return HAL_BUSY;
  }
}

致謝

參考文獻(xiàn)如下：

• IIC原理超詳細(xì)講解---值得一看
• 一文看懂I2C協(xié)議
• i2c總線協(xié)議簡介
• I2C死鎖及解決方法