I2C通信协议详解

I2C（Inter-Integrated Circuit，内部集成电路）是一种由荷兰飞利浦（Philips）公司于 1982 年开发的同步串行通信协议，主要用于短距离、低速率的设备间通信（如板载芯片、传感器、存储器等）。其核心优势是布线简单（仅需 2 根线） 和支持多设备互联，因此在嵌入式系统、消费电子等领域被广泛应用。

一、I2C 的核心特点

同步通信：通过时钟线（SCL）同步数据传输，无需像 UART 那样依赖波特率协商。
半双工：数据通过单根数据线（SDA）传输，同一时间只能单向传递（主→从或从→主）。
多设备支持：总线上可连接多个主设备（Master）和从设备（Slave），通过设备地址区分。
速率灵活：支持多种速率模式（标准模式 100kHz、快速模式 400kHz、高速模式 3.4MHz 等）。

二、物理层：硬件连接与信号定义

I2C 仅需两根信号线，所有设备通过这两根线互联，结构极简。

1. 核心信号线

SDA（Serial Data Line，串行数据线）：用于传输实际数据（双向）。
SCL（Serial Clock Line，串行时钟线）：用于同步数据传输的时钟信号（通常由主设备产生）。

2. 总线特性

开漏输出（Open-Drain）：所有设备的 SDA 和 SCL 引脚均为开漏结构（或集电极开路）。开漏输出的特点是：无法主动输出高电平，只能拉低电平（通过内部 MOS 管导通接地），高电平需通过外部上拉电阻（通常 1kΩ~10kΩ）实现。作用：避免多设备同时输出高电平时的冲突（多个设备可共享总线，仅需控制 “拉低” 即可）。
共地要求：所有设备必须共地（GND 连接），否则信号电平无法识别。

三、协议层：通信规则与数据传输流程

I2C 的通信由主设备主导（负责发起通信、产生时钟、控制起止），从设备被动响应（根据地址被选中后参与数据传输）。核心规则包括 “起止信号”“数据格式”“应答机制” 等。

1. 起止信号（总线控制权的标志）

起始信号（S）：主设备发起通信的标志。定义：当 SCL 为高电平时，SDA 从高电平跳变为低电平（“高→低” 跳变）。作用：通知总线上的所有从设备 “通信即将开始”。
停止信号（P）：主设备结束通信的标志。定义：当 SCL 为高电平时，SDA 从低电平跳变为高电平（“低→高” 跳变）。作用：通知从设备 “本次通信结束”，总线释放。示意图：plaintext

2. 数据传输格式

数据帧结构：每次传输的基本单位是 “字节（8 位）”，且每个字节后必须跟随 1 位 “应答位（ACK/NACK）”，即 “8 位数据 + 1 位应答” 共 9 位为一个完整传输单元。
数据有效性：SDA 上的数据必须在 SCL 为高电平时保持稳定（此时数据被采样）；仅当 SCL 为低电平时，SDA 的电平才能变化（避免采样错误）。数据有效时序：plaintext

3. 应答机制（ACK/NACK）

应答是通信双方确认数据接收成功的信号，由 “接收方” 在第 9 个时钟周期（即 8 位数据后的第一个时钟）发送：

ACK（应答）：接收方拉低 SDA（SDA=0），表示 “数据已正确接收”。
NACK（非应答）：接收方不拉低 SDA（SDA=1），表示 “数据未接收 / 接收错误” 或 “通信结束”（如主设备读取最后一个字节时，会发送 NACK 通知从设备停止传输）。应答时序示例（主设备发送数据，从设备应答）：plaintext

4. 地址帧：设备寻址

I2C 通过 “地址” 区分总线上的不同从设备，地址由主设备在通信开始时发送，格式如下：

7 位地址（最常用）：地址共 7 位，后跟 1 位 “读写位（R/W）”，即 “7 位地址 + 1 位 R/W” 共 8 位（构成第一个传输字节）。读写位（R/W）：0 表示 “主→从写数据”，1 表示 “主←从读数据”。支持设备数量：理论上 7 位地址可容纳 128 个设备（0~127），但部分地址被保留（如 0x00 为广播地址）。
10 位地址（扩展模式）：用于需要更多设备的场景，地址共 10 位，传输时拆分为两个字节（前 5 位固定为 11110，后 5 位 + 剩余 5 位），应用较少。

四、完整通信流程示例

以 “主设备向从设备写数据” 和 “主设备从从设备读数据” 为例，说明完整流程。

1. 主设备→从设备（写操作）

主设备发送起始信号（S），总线被占用；
主设备发送7 位地址 + 写位（R/W=0）（共 8 位）；
从设备收到地址后，若地址匹配，在第 9 个时钟发送ACK（SDA=0）；
主设备收到 ACK 后，开始发送第一个数据字节（8 位）；
从设备接收数据后，发送ACK 确认；
重复步骤 4~5，传输后续数据字节；
数据传输完成后，主设备发送停止信号（P），释放总线。

流程示意图：

plaintext

S → [地址+W] → ACK → [数据1] → ACK → [数据2] → ACK → ... → P

2. 主设备←从设备（读操作）

主设备发送起始信号（S）；
主设备发送7 位地址 + 读位（R/W=1）（共 8 位）；
从设备地址匹配后，发送ACK；
从设备开始发送第一个数据字节（8 位）；
主设备接收数据后，发送ACK（表示 “继续接收”）或NACK（表示 “最后一个数据，停止传输”）；
若主设备发送 ACK，从设备继续发送下一个数据字节；
数据传输完成后，主设备发送停止信号（P）。

流程示意图：

plaintext

S → [地址+R] → ACK → [数据1] → ACK → [数据2] → NACK → P

五、关键进阶特性

1. 总线仲裁（多主设备冲突解决）

当多个主设备同时尝试占用总线时，通过 “仲裁机制” 避免冲突：

仲裁在 SDA 线上进行：多个主设备同时发送数据时，对比 SDA 电平，若某主设备发送 “高电平” 但检测到 SDA 为 “低电平”（说明其他主设备发送了低电平），则该主设备主动退出总线竞争（发送低电平的主设备获胜）。
仲裁不影响已传输的有效数据（仅冲突位被放弃）。

2. 时钟拉伸（从设备控制节奏）

当从设备处理数据较慢（如读取内部存储），可主动拉低 SCL（使时钟保持低电平），暂停主设备的数据传输；待从设备准备好后，释放 SCL（恢复高电平），通信继续。

作用：解决主从设备处理速度不匹配的问题。

3. 速率模式

I2C 支持多种速率，适应不同场景：

标准模式（SM）	100kHz	普通低速设备（如 EEPROM）
快速模式（FM）	400kHz	中速设备（如传感器）
高速模式（HS）	3.4MHz	高速传输（如视频接口）
超快速模式（UFm）	5MHz	超高速场景（较少见）

六、I2C vs 其他通信协议（对比总结）

I2C	2（SDA/SCL）	同步半双工	最高 3.4MHz	支持（地址区分）	板载传感器、存储器
SPI	4（MOSI/MISO/SCK/CS）	同步全双工	最高几十 MHz	需额外 CS 线选设备	高速外设（如 LCD、Flash）
UART	2（TX/RX）	异步全双工	最高几 Mbps	不支持（需一对一）	设备间远距离通信（如模块）