到目前為止，我們已經(jīng)討論了 SPI 通信和 UART 通信的基礎(chǔ)知識，現(xiàn)在讓我們討論本系列的最后一個協(xié)議，即集成電路間協(xié)議（I2C）。

如果您曾經(jīng)構(gòu)建過使用 OLED 顯示器 、 氣壓傳感器或陀螺儀/加速度計(jì)模塊的項(xiàng)目，您可能會發(fā)現(xiàn)自己正在使用 I2C。

I2C 通信簡介

I2C 結(jié)合了 SPI 和 UART 的最佳特性。使用 I2C，您可以將多個從機(jī)連接到單個主機(jī)（類似 SPI），并且可以讓多個主機(jī)控制一個或多個從機(jī)。當(dāng)您希望使用多個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個 LCD 時，這非常有用。

與 UART 通信一樣，I2C 僅使用兩根線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)：

SDA（串行數(shù)據(jù)） ——主機(jī)和從機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。

SCL（串行時鐘） ——傳輸時鐘信號的線路。

I2C 是一種串行通信協(xié)議，因此數(shù)據(jù)沿著單根線（SDA 線）逐位傳輸。

與 SPI 類似，I2C 也是同步的，因此位的輸出與位的采樣通過主機(jī)和從機(jī)共享的時鐘信號同步。該時鐘信號始終由主機(jī)控制。

I2C 的工作原理

使用 I2C 時，數(shù)據(jù)以消息形式傳輸。 消息被分解成數(shù)據(jù)幀 。每條消息包含一個地址幀（包含從設(shè)備的二進(jìn)制地址）以及一個或多個數(shù)據(jù)幀（包含正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）。消息還包含起始和停止條件、讀/寫位以及每個數(shù)據(jù)幀之間的 ACK/NACK 位：

起始條件： 在 SCL 線從高電平切換為低電平之前， SDA 線從高電平切換為低電平。

停止條件： SCL 線從低電平變?yōu)楦唠娖胶螅?SDA 線也從低電平變?yōu)楦唠娖健?/strong>

地址幀： 每個從機(jī)獨(dú)有的 7 位或 10 位序列，用于在主機(jī)想要與從機(jī)對話時識別該從機(jī)。

讀/寫位： 單個位指定主機(jī)是否向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（低電壓電平）或向從機(jī)請求數(shù)據(jù)（高電壓電平）。

ACK/NACK 位： 消息中的每一幀后面都有一個確認(rèn)/不確認(rèn)位。如果成功接收地址幀或數(shù)據(jù)幀，接收設(shè)備會向發(fā)送方返回一個 ACK 位。

尋址

I2C 沒有像 SPI 那樣的從機(jī)選擇線，因此它需要另一種方式讓從機(jī)知道數(shù)據(jù)正在發(fā)送給它，而不是其他從機(jī)。它通過尋址來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一個幀。

主設(shè)備將其想要通信的從設(shè)備的地址發(fā)送給與其連接的每個從設(shè)備。然后，每個從設(shè)備將主設(shè)備發(fā)送的地址與其自身的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則向主設(shè)備發(fā)送一個低電壓 ACK 位。如果地址不匹配，則從設(shè)備不執(zhí)行任何操作，SDA 線保持高電平。

讀/寫位

地址幀末尾包含一個位，用于告知從機(jī)主設(shè)備是要向其寫入數(shù)據(jù)還是從其接收數(shù)據(jù)。如果主設(shè)備要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則讀/寫位為低電平。如果主設(shè)備正在向從機(jī)請求數(shù)據(jù)，則該位為高電平。

數(shù)據(jù)框

主機(jī)檢測到從機(jī)的 ACK 位后，即可準(zhǔn)備發(fā)送第一個數(shù)據(jù)幀。

數(shù)據(jù)幀始終為 8 位長，并以最高有效位優(yōu)先發(fā)送。每個數(shù)據(jù)幀后緊接著一個 ACK/NACK 位，用于驗(yàn)證該幀是否已成功接收。主設(shè)備或從設(shè)備（取決于發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備）必須接收到 ACK 位，才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。

所有數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢后，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送停止條件，以停止傳輸。停止條件是指 SCL 線電壓由低變高后，SDA 線電壓由低變高，而 SCL 線電壓保持高電平。

I2C 數(shù)據(jù)傳輸步驟

1、主機(jī)通過將 SDA 線從高電平切換到低電平， 然后將 SCL 線從高電平切換到低電平，向每個連接的從機(jī)發(fā)送啟動條件：
2、主設(shè)備向每個從設(shè)備發(fā)送其想要與之通信的從設(shè)備的 7 位或 10 位地址，以及讀/寫位：

3、每個從機(jī)將主機(jī)發(fā)送的地址與自身地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，從機(jī)將 SDA 線拉低一位，返回 ACK 位。如果主機(jī)發(fā)送的地址與從機(jī)自身的地址不匹配，從機(jī)將 SDA 線保持高電平。

4.主機(jī)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

5、每個數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，接收設(shè)備都會向發(fā)送方返回另一個 ACK 位，以確認(rèn)成功接收該幀：

6、要停止數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)在切換 SDA 為高之前，通過將 SCL 切換為高來向從機(jī)發(fā)送停止條件：

單主多從

由于 I2C 使用尋址技術(shù)，因此一個主設(shè)備可以控制多個從設(shè)備。使用 7 位地址，可以提供 128（2 ^7 ）個唯一地址。使用 10 位地址并不常見，但可以提供 1,024（2 ^10 ）個唯一地址。要將多個從設(shè)備連接到一個主設(shè)備，請按如下方式連接它們，并使用 4.7K 歐姆上拉電阻將 SDA 和 SCL 線連接到 Vcc：

多主多從

多個主設(shè)備可以連接到一個或多個從設(shè)備。同一系統(tǒng)中多個主設(shè)備的問題在于，當(dāng)兩個主設(shè)備嘗試同時通過 SDA 線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時。為了解決這個問題，每個主設(shè)備在發(fā)送消息之前都需要檢測 SDA 線是低電平還是高電平。如果 SDA 線為低電平，則表示另一個主設(shè)備已控制總線，該主設(shè)備應(yīng)等待發(fā)送消息。如果 SDA 線為高電平，則表示可以安全發(fā)送消息。要將多個主設(shè)備連接到多個從設(shè)備，請使用下圖，并使用 4.7K 歐姆上拉電阻將 SDA 和 SCL 線連接到 Vcc：

I2C 的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與其他協(xié)議相比，I2C 有很多方面可能聽起來比較復(fù)雜，但有一些很好的理由可以解釋為什么您可能想或不想使用 I2C 來連接特定設(shè)備：

優(yōu)點(diǎn)

僅使用兩根電線

支持多主多從

ACK/NACK 位確認(rèn)每個幀已成功傳輸

硬件比 UART 簡單

著名且廣泛使用的協(xié)議

缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸速率比 SPI 慢

數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

實(shí)現(xiàn)所需的硬件比 SPI 更復(fù)雜