關於I2C的點滴總結
背景
硬體層
資料傳輸協議
實際上如何工作？
單個主裝置連線多個從機
多個主裝置連線多個從機
如何程式設計？
總結
背景
I²C
（
Inter-Integrated Circuit
），中文應該叫
積體電路匯流排
，它是一種序列通訊匯流排，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主機板、嵌入式系統或手機與周邊裝置元件之間的通訊。由於其簡單性，它被廣泛用於微控制器與感測器陣列，顯示器，IoT裝置，EEPROM等之間的通訊。
I²C
最重要的功能包括：
只需要兩條匯流排；
沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主裝置生成匯流排時鐘；
所有元件之間都存在簡單的主/從關係，連線到匯流排的每個裝置均可透過唯一地址進行軟體定址；
I²C是真正的多主裝置匯流排，可提供仲裁和衝突檢測；
傳輸速度；
標準模式：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
最大主裝置數：無限制；
最大從機數：理論上是127；
以上是I²C的一些重要特點，下面會進一步對I²C進行介紹。
硬體層
I²C
協議僅需要一個
SDA和SCL
引腳。SDA是
序列資料線的
縮寫，而SCL是
序列時鐘線的
縮寫。這兩條資料線需要接上拉電阻。
裝置間的連線如下所示：
使用I²C，可以將多個從機（
Slave
）連線到單個主裝置（
Master
），並且還可以有多個主裝置（
Master
）控制一個或多個從機（
Slave
）。
假如希望有多個微控制器（
MCU
）將資料記錄到單個儲存卡或將文字顯示到單個LCD時，這個功能就非常有用。
I²C匯流排（
SDA
，
SCL
）內部都使用漏極開路驅動器（開漏驅動），因此
SDA
和
SCL
可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平
，所以每條線上都要使用一個上拉電阻，預設情況下將其保持在高電平；
上
拉電阻的
值取決於許多因素。
德州儀器TI 建議
使用以下公式來計算正確的上拉電阻值：
其中
是邏輯低電壓；
是邏輯低電流；
是訊號的最大上升時間；
是匯流排（電線）電容；
具體如下所示：
從上表可知，使用I2C裝置必須在
的灌電流下工作，
這裡不難發現需要在做選型需要滿足幾個條件；
灌電流 最大值為
；
另外I2C匯流排規範和使用者手冊還為低電平輸出電壓
設定了最大值為0。4V
所以根據上述公式可以計算，對於5V的電源，每個上拉電阻必須至少具有1。53kΩ，而對於3。3V的電源，每個電阻必須至少具有967Ω。
如果覺得計算電阻值比較麻煩，也可以使用
典型值 4.7kΩ
。
上述推導過程可以參考 TI的文件《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》
https：//www。
ti。com/lit/an/slva689/s
lva689。pdf
最終在除錯的時候，當我們測量SDA或SCL訊號並且邏輯LOW上的電壓高於0。4V時，我們就知道可以知道灌電流太高了；
當然，這並不意味著每當灌電流超過3mA時，裝置就會立即停止工作。但是，在操作超出其規格的裝置時，應始終小心，因為它可能導致通訊故障，縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞裝置。
資料傳輸協議
主裝置和從裝置進行資料傳輸時遵循以下協議格式。資料透過一條SDA資料線在主裝置和從裝置之間傳輸
0
和
1
的序列資料。序列資料序列的結構可以分為，開始條件，地址位，讀寫位，應答位，資料位，停止條件，具體如下所示；
開始條件
當主裝置決定開始通訊時，需要傳送開始訊號，需要執行以下動作；
先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平；
然後將
SCL
從高電平切換到低電平；
在主裝置傳送開始條件訊號之後，所有從機即使處於睡眠模式也將
變為活動狀態
，並
等待接收地址位
。
具體如下圖所示；
地址位
通常地址位佔7位資料，主裝置如果需要向從機發送/接收資料，首先要傳送對應從機的地址，然後會匹配總線上掛載的從機的地址；
I2C還支援10位定址；
讀寫位
該位指定資料傳輸的方向；
如果主裝置需要將資料傳送到從裝置，則該位設定為
0
；
如果主裝置需要往從裝置接收資料，則將其設定為
1
。
ACK / NACK
主機每次傳送完資料之後會等待從裝置的應答訊號
ACK
；
在第9個時鐘訊號，如果從裝置傳送應答訊號
ACK
，則
SDA
會被拉低；
若沒有應答訊號
NACK
，則
SDA
會輸出為高電平，這過程會引起主裝置發生重啟或者停止；
資料塊
傳輸的資料總共有8位，由傳送方設定，它需要將資料位傳輸到接收方。
傳送之後會緊跟一個
ACK
/
NACK
位，如果接收器成功接收到資料，則設定為0。否則，它保持邏輯“ 1”。
重複傳送，直到資料完全傳輸為止。
停止條件
當主裝置決定結束通訊時，需要傳送開始訊號，需要執行以下動作；
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；
具體如下圖所示；
實際上如何工作？
第一步：起始條件
主裝置透過將SDA線從高電平切換到低電平，再將SCL線從高電平切換到低電平，來向每個連線的從機發送啟動條件 ：
第二步：傳送從裝置地址
主裝置向每個從機發送要與之通訊的從機的7位或10位地址，以及相應的
讀/寫位
；
第三步：接收應答
每個從裝置將主裝置傳送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從裝置透過
將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位
；
如果來自主裝置的地址與從機自身的地址不匹配，則
從裝置將SDA線拉高，表示返回一個NACK位
；
第四步：收發資料
主裝置傳送或接收資料到從裝置；
第五步：接收應答
在傳輸完每個資料幀後，接收裝置將另一個ACK位返回給傳送方，以確認已成功接收到該幀：
第六步：停止通訊
為了停止資料傳輸，主裝置將SCL切換為高電平，然後再將SDA切換為高電平，從而向從機發送停止條件；
單個主裝置連線多個從機
I2C總線上的主裝置使用7位地址對從裝置進行定址，可以使用128（
）個從機地址。
請使用4。7K上拉電阻將SDA和SCL線連線到Vcc；
多個主裝置連線多個從機
多個主裝置可以連線到一個或多個從機；
當兩個主裝置試圖透過SDA線路同時傳送或接收資料時，同一系統中的多個主裝置就會出現問題。
為了解決這個問題，
每個主裝置都需要在傳送訊息之前檢測SDA線是低電平還是高電平
；
如果SDA線為低電平，則意味著另一個主裝置可以控制匯流排，並且主裝置應等待發送訊息。
如果SDA線為高電平，則可以安全地傳送訊息。
要將多個主裝置連線到多個從機，請使用下圖，其中4。7K上拉電阻將SDA和SCL線連線到Vcc：
如何程式設計？
Talk is cheap。 Show me the code。
參考了STM32的HAL庫中I2C驅動，主裝置傳送函式
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
；
}
}
總結
本文主要介紹I2C的入門基礎知識，從I2C協議的硬體層，協議層進行了簡單介紹；作者能力有限，難免存在錯誤和紕漏，請大佬不吝賜教。
相互吹捧，共同進步，歡迎關注；
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