【数字IC】深入浅出理解I2C协议

时间：2023-11-16 08:37:02 高速双二极管high

通俗易懂I2C协议

- 一、什么是I2C协议
- 二、I2C,SPI,UART协议的区别
- 三、I2C的信号线
- 四、I2C的连接方式
- - 4.1 单主设备，单从设备
  - 4.2 单主设备，多从设备
  - 4.3 多主设备，多从设备
- 五、I2C数据传输格式
- - 5.1 空闲位
  - 5.2 起始位
  - 5.3 地址位置和读写控制
  - 5.4 应答位（ACK/NACK）
  - - 5.4.1 正确接收数据（ACK）
    - 5.4.2 未正确接收数据（NACK）
  - 5.5 数据位
  - 5.6 停止位
  - 5.7 总结
- 六、I2C可配置变量
- - 6.1 传输模式
  - 6.2 地址位宽
  - 6.3 设备地址
- 七、I2C的仲裁机制
- - 7.1 SCL同步问题
  - 7.2 SDA仲裁问题
- 八、写在最后
- 九、其它数字IC解释基本协议
- - 9.1 UART协议
  - 9.2 SPI协议
  - 9.3 I2C协议
  - 9.4 AXI协议

一、什么是I2C协议

I2C是由Philips简单的开发双向两线总线，通俗易懂SPI我们区分了协议单工，半双工，全双工根据特点，协议数据流的差异，I2C协议属于半双工协议(即同时，数据单向流动)。I2C也是以多主设备，多从设备总线协议，通过地址索引,I2C可以所需的能量来自设备，I2C主要用于实现不同集成电路组件之间的控制功能，比如通过I2C协议，连接MCU与LCD驱动器，远程I/O口，RAM，EEPROM或数据转换器。

二、I2C,SPI,UART协议的区别

作者按顺序依次完成UART，SPI，I2C协议，因为这三种协议都属于低速通用协议接口，因此，作者将这三种协议协议一起比较，诚然，经过几十年的发展，这些协议衍生出了许多新版本和许多新特征，但其基本通信方式没有改变。因此，我们只比较他们的基本版本，得到以下表格。特点太多，不一定绝对准确，仅供初学者参考。

协议名称	数据流向	电气信号线	通信类型	选通方式
UART	单工/半双工/全双工	1/2条	异步	无
SPI	全双工	4条	同步	NSS选择
I2C	半双工	2条	同步	地址索引

重点解释UART，SPI，I2C这三个协议的选择方式，作者觉得很有意思。
对于UART一般来说，是的没有办法满足一个主设备，多个设备的通信，它的通信方式是最简单的，至少只需要一条线就可以完成通信。协议本身不允许从设备中外接多个，但我们也可以通过485转接，增加二极管多从设备选择（电路层面的设计内容不是数字的IC需要考虑的内容）。
其次是SPI协议，它有一个特殊的NSS端口，默认降低选择所需的设备。
最后是I2C协议，每个主设备和每个从设备对应一个地址，通信的时候先发送地址信号，若一致，则选择。

三、I2C的信号线

I2C仅需要两根信号线即可完成通信，如下图所示。除此之外，I2C的信号线上拉电路需要连接，上拉电阻的大小是电路设计工程师需要担心，不归Digital IC Design Engineer这里就不赘述了。

SDA（Serial Data） ：串行数据线用于传输数据信号。
SCL（Serial Clock）：传输串行时钟线时钟信号，主设备一般提供给从设备。

四、I2C的连接方式

I2C连接形式非常灵活，可以单主设备，单从设备，也可以是单主设备，多从设备，还可以是多主设备，多从设备。

4.1 单主设备，单从设备

4.2 单主设备，多从设备

4.3 多主设备，多从设备

五、I2C数据传输格式

5.1 空闲位

空闲时SDA与SCL默认为高电平，对应主设备状态机IDLE(默认态)输出高

5.2 起始位

SCL高电平时，主设备控制SDA从1到0，开始，进入起始位后，SCL按照一贯的要求翻转
从设备接收起始位信息，状态机跳转，等待输入地址信号

从设备到下降沿检测电路，作为状态跳变的控制信号，详情请参考作者之前的文章。IC手撕代码】Verilog边缘检测电路

5.3 地址位置和读写控制

主设备按照从高到低的顺序，依次发送地址位，接收设备，通常，地址位置为7bit，读写选择为1bit。每个从设备只有一个地址号，依靠这个数字来确定主要设备具体与哪个从设备通信。

同时，为了确保采样保信号稳定，我们在主设备上当下降边缘放置信号时，将信号放置在下降边缘SDA上，我们在设备方面上升沿采样时。
读写控制位若需要主设备将数据发送数据，该位置设置为若需要主设备通常从设备中接收数据，则将其设置为 1 。写0，读1。

5.4 应答位（ACK/NACK）

发送了标题为5.3的8bit后，主机释放对SDA的控制权，由于上拉电阻的作用这个时候SDA默认为高电平，从机接管SDA的控制权，假如从机正确的接收了数据，会将SDA拉低，假如没有正确的接收数据，在从设备的控制下，SDA依旧为高电平。

读者在这里会发现，同一个SDA，怎么主设备也能控制，从设备也能控制呢？这里涉及到了inout双向端口的相关问题，可以参考作者的这篇文章进行解读和理解通俗易懂的带你解读inout双向端口

5.4.1 正确接收数据（ACK）

正确接收，SDA由从设备拉低

5.4.2 未正确接收数据（NACK）

未正确接收，SDA依旧为高电平

5.5 数据位

当我们成功收到ACK信号后，就可以正式传输数据位了，每一次默认传输一个字节（即8bit），每个字节的传输都需要跟一个应答位（ACK/NACK）

5.6 停止位

SCL先拉高，在SCL为高电平的时候，SDA从低到高，即为停止位，此后，I2C协议重新进入到空闲状态。这里使用了上升沿检测电路，原理同起始位的下降沿检测电路

5.7 总结

首先为起始位S(start)，接着传输地址7位SLAVE ADDRESS和1位读写控制信号R/W,再往后8位8位的传输数据位，每个字节紧跟ACK信号，最后为停止位
所有的阴影部分，都是主设备在操作总线，而A对应的ACK，则为从设备在操作总线。

六、I2C可配置变量

6.1 传输模式

标准模式(Standard)：100kbps
快速模式(Fast)：400kbps
快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
高速模式(High-speed)：3.4Mbps
超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（单向传输）

提起不同速度的传输模式，读者首先想到的可能是指SCK的频率，这没有错，但是绝不仅限于此，为了获得更高的传输速率，除开芯片设计工程师外，电路的设计人员需要认真思考诸如“负载电容，上拉电阻的大小”等更偏向于电路设计或模拟设计的内容。

6.2 地址位宽

标准I2C：七位寻址
扩展I2C：十位寻址

每个主设备或者从设备都能对应一个唯一的地址，大多数情况下，7位的地址，已经够用了。但是也可以对其进行扩展，转变为10位地址，多出来的3位地址相当于提供了8倍潜在设备数量，同时，按照NXP2021版的I2C协议规定，10位地址的从设备，和7位地址的从设备，都可以挂在一个总线上，彼此相互兼容，不过，客观来讲，10位寻址的I2C不常用，7位寻址的I2C协议就足够大家日常使用了。

6.3 设备地址

每个主设备与从设备需要设置互不相同的七位地址或十位地址。
等等等等

七、I2C的仲裁机制

7.1 SCL同步问题

总线天生带线与逻辑，即总线的几个输入端，任意有一个拉低，总线表现为低电平，全部位高电平时，总线才是高电平，真值表如下所示。

设备A	设备B	总线逻辑
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

假设有两个主设备都想拉低SCL信号，Master1先拉低，Master2后拉低，那么SCL会按照CLK1的时间来拉低自身（线与逻辑的应用），而假如Master1先拉高，Master2后拉高，SCL又会按照CLK2的时间来拉高自身。

因此：当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是SCL的同步原理

7.2 SDA仲裁问题

设想一种多主设备，多从设备的情况
假如在空闲状态时，两个主设备先后想要操控I2C总线（相隔时间很短），I2C岂不是会发生错误（数据紊乱等），如何解决这个问题呢？
我们可以采取仲裁机制，同样应用到总线的线与逻辑，在箭头所指的位置，SCL上升沿到来，对SDA上的数据进行采样，结果为0，与DATA2上的数据0相同，与DATA1上的数据1不同，通过这种比较 Master1退出了对总线的控制，而Master2所发送的数据都是正确的，完成仲裁。