1. I2C 总线简介
I2C（Inter-Integrated Circuit）是由 NXP 公司设计的一种串行通信总线协议，广泛应用于嵌入式系统中。它使用两条线进行通信：SCL（串行时钟线） 和 SDA（串行数据线）。I2C 总线以其简单、灵活和多设备支持的特性，成为嵌入式开发中最常用的通信协议之一。
1.1 I2C 总线的特点
- 双线通信：仅需 SCL 和 SDA 两条线即可实现通信。
- 多设备支持：一个 I2C 总线可以连接多个从设备，每个设备有唯一的地址。
- 速率灵活：标准模式下速率可达 100Kb/s，快速模式下可达 400Kb/s。
- 上拉电阻：SCL 和 SDA 线需要接上拉电阻（通常为 4.7KΩ），以确保总线空闲时处于高电平。
1.2 I2C 总线连接结构
I2C 总线可以连接多个从设备，每个设备通过唯一的地址进行区分。总线的连接结构如下：
- SCL：串行时钟线，由主机控制，用于同步数据传输。
- SDA：串行数据线，用于双向数据传输。
- 上拉电阻：SCL 和 SDA 线需要接上拉电阻，确保总线空闲时为高电平。
多个 I2C 设备可以挂接在同一个总线上，通过设备地址进行通信。例如，一个 I2C 总线上可以连接多个传感器、EEPROM 等设备。
2. I2C 协议详解
I2C 协议定义了通信的起始、停止、数据传输和应答等信号。以下是 I2C 协议的关键术语和时序。
2.1 起始位（START）
起始位是 I2C 通信开始的标志。当 SCL 为高电平时，SDA 出现下降沿表示起始位。起始位的作用是告诉从设备：“主机要开始通信了！”
时序特点：
- SCL 为高电平。
- SDA 从高电平变为低电平。
2.2 停止位（STOP）
停止位是 I2C 通信结束的标志。当 SCL 为高电平时，SDA 出现上升沿表示停止位。停止位的作用是告诉从设备：“通信结束了！”
时序特点：
- SCL 为高电平。
- SDA 从低电平变为高电平。
2.3 数据传输
I2C 总线在数据传输时，数据在 SCL 的低电平期间变化，并在 SCL 的高电平期间保持稳定。每个字节（8 位）传输后，接收方需要发送一个应答信号（ACK）。
数据传输规则：
- 数据位在 SCL 低电平时变化。
- 数据位在 SCL 高电平时保持稳定。
2.4 应答信号（ACK/NACK）
每传输一个字节后，接收方需要通过 SDA 线发送一个应答信号：
- ACK：接收方将 SDA 拉低，表示成功接收数据。
- NACK：接收方保持 SDA 高电平，表示未成功接收数据或通信结束。
3. I2C 通信时序
I2C 通信分为写操作和读操作，以下是两种操作的详细时序。
3.1 I2C 写时序
I2C 写操作用于主机向从设备写入数据。以下是写时序的步骤：
- 起始信号：主机发送起始位。
- 发送设备地址：主机发送 7 位设备地址和 1 位写标志（0）。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 发送寄存器地址：主机发送要写入的寄存器地址。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 发送数据：主机发送要写入的数据。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 停止信号：主机发送停止位。
写时序示例：
START -> 设备地址（写） -> ACK -> 寄存器地址 -> ACK -> 数据 -> ACK -> STOP
3.2 I2C 读时序
I2C 读操作用于主机从从设备读取数据。读时序比写时序复杂，分为以下步骤：
- 起始信号：主机发送起始位。
- 发送设备地址：主机发送 7 位设备地址和 1 位写标志（0）。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 发送寄存器地址：主机发送要读取的寄存器地址。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 重新发送起始信号：主机发送起始位。
- 发送设备地址：主机发送 7 位设备地址和 1 位读标志（1）。
- 应答信号：从机发送 ACK。
- 读取数据：主机读取从机发送的数据。
- 无应答信号：主机发送 NACK 表示读取完成。
- 停止信号：主机发送停止位。
读时序示例：
START -> 设备地址（写） -> ACK -> 寄存器地址 -> ACK ->
重新START -> 设备地址（读） -> ACK -> 读取数据 -> NACK -> STOP
4. I2C 多字节读写
I2C 支持多字节读写操作，时序与单字节操作类似，只是在数据传输阶段可以连续发送或接收多个字节。例如：
- 多字节写：主机连续发送多个数据字节，每个字节后从机发送 ACK。
- 多字节读：主机连续读取多个数据字节，最后一个字节后发送 NACK。
5. I2C 总线的优势与应用
5.1 优势
- 简单易用：仅需两条线即可实现通信。
- 多设备支持：支持多个从设备共享同一总线。
- 灵活性高：速率可调，适用于多种应用场景。
5.2 应用场景
- 传感器通信：如温度传感器、加速度传感器等。
- 存储器访问：如 EEPROM、Flash 等。
- 显示控制：如 OLED、LCD 显示屏。
6. 总结
I2C 总线是一种简单、灵活且广泛应用的通信协议。通过掌握起始位、停止位、数据传输和应答信号等关键概念，开发者可以轻松实现主机与从设备之间的通信。无论是读写单个字节还是多个字节，I2C 都能提供高效的解决方案。希望本文能帮助你更好地理解 I2C 总线协议，并在实际项目中灵活运用！
参考资料：
- NXP I2C 协议文档
- 《I.MX6UL 参考手册》
