什么是I2C总线，它有着哪些特点，设计时需要哪些细节？

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

二、I2C总线开发设计需要注意点

1、总线容量及驱动能力

I2C总线的外围扩展器件都是CMOS器件，总线有足够的电流驱动能力，因此总线上扩展的节点数不由电流负载能力决定，而由电容负载确定。总线上每个实际节点器件的总线接口都有一定的等效电容，等效电容的存在会造成总线传输的延迟，导致数据传输出错。

通常总线负载能力为400pF，通常各个I2C器件都会有它自己的电容值，一般为不大于20pF，据此可计算出总线长度及节点数目的限制数量。总线上的每个外围器件都有一个器件地址，因此总线上扩展外围器件时也要受器件地址限制。

2、I2C总线的电气结构

I2C总线为双向同步串行总线，因此I2C总线接口内部为双向传输电路，如图所示。总线端口输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻，上拉电阻与电源电压、SDA、SCL以及总线串接电阻有关，可参考有关数据手册进行选择，通常可选4.7K到10K。

3、每个节点都有一个固定的节点地址。

I2C总线为双向同步串行总线，因此总线上的单片机都可以成为主节点，其器件地址由软件给定，存放在总线的地址寄存器件中，称为主器件的从地址。在总线的多主系统中，单片机作为从节点时，其从地址才有意义，所以总线上所有的外围器件都有规范的器件地址。

4、I2C总线时序

I2C总线上数据传递时，总线上传送的每一帧数据均为一个字节。但启动总线后，传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后，对方回应一个应答位。

在发送时，首先发送的是数据的最高位。每次传送开始有起始信号，结束时有停止信号。在总线传送完一个字节后，可以通过对时钟线的控制使传送暂停。

①时钟和数据发送：

SDA引脚通常使用外部设备拉高。SDA引脚上的数据只能在SCL为低电平时进行更改，SCL为高电平时数据更改将指示开始或停止条件。如图所示。

②起止条件：

SDA由高到低且SCL为高是启动条件，必须先于任何其他命令。SDA由低到高且SCL为高是停止条件，在一个读序列后，停止命令会使EEPROM进入待机模式。如图所示。

③应答：

所有地址和数据字均以8bit字连续传输到EEPROM，EEPROM发送一个"0"来应答，以确认它已收到每个字。应答发生在第九个时钟周期如图所示。

三、设计实例

我们对于AT24C256肯定不会陌生，这是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，8引脚双排直插式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片该IC，特别适用于具有高容量数据储存要求的数据采集系统。

EEPROM存储器设备既可以接收又可以发送数据。每个挂接在总线上的器件都有唯一一个地址识别。

主机访问EEPROM时，主机在向EEPROM发送完控制字节和地址信息后，紧接着向EEPROM存储器发送起始条件和控制信号并发送读标志位信号，切换数据的收发方向。接着在收到EEPROM的响应信号后便可以读出需要的数据了。

四、总结

通过以上实例，我们可以知道I2C优点主要表现在：

1、简化了硬件电路。在这种总线中只需要两根线，即串行数据线（SDA）和串行的时钟线（SCL）。

2、每个挂在总线上的I2C器件都有一个唯一的地址，并可以通过软件寻址。

3、因为在总线上可能有多个主I2C器件，因此I2C总线接口协议中有冲突监测和仲裁机制，以防止通信中的数据丢失或发生错误。

4、这种串行的两线双向的总线在标准模式下的速率为100kbit/s，在快速模式下的速率为400kbit/s，在高速模式下为3.4Mbit/s。

5、I2C器件中有滤波抗扰措施来保证数据的完整性。

6、在总线上挂接的器件数目是有限的，即总线上的容抗不能超过400pF。

一篇文章讲透I2C总线协议

最近一段时间工作上比较忙，一直没有抽出空来写文章与大家分享，这两天腾出些时间静下心来沉淀一番。看标题大家已经知道了是来总结I2C总线，我相信大家或多或少的都接触过I2C总线，这篇文章我们就由浅入深的仔细来研究研究，看看能不能挖掘些新东西，加深一下理解。

先说概念

I2C英文全称Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成电路之间，也就是我们常说的I方C总线—I2C bus。它是一种串行通讯总线，使用多主从架构，由飞利浦公司（恩智浦NXP的母公司）在80年代开发，用于主板、嵌入式系统连接周边低速设备。

I2C由两条双向开漏线组成，这是一个很大的优势，接线简单。两条线利用上拉电阻将电位上拉。典型电位为+3.3V或+5V。标准传输速率为100Kb/s，低速模式10Kb/s。

物理层

下图为I2C总线的物理拓扑图，大家可以看到一共只有两条总线，一条SDA(serial data)数据线用来承载数据、一条SCL(serial clock line)时钟线用来控制数据收发时序。所有I2C设备的SDA都接到了总线的SDA上，SCL都接到了总线的SCL上。每个设备都有自己的唯一地址，以保证设备之间访问的准确性。

I2C总线的物理拓扑图

I2C在物理层的连接可以说是非常简单，这也是它最大的优势，原理就是通过控制SDA和SCL线的高低电平时序，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据传输。在总线处于空闲状态时SCL和SDA被上拉电阻拉高，保持高电平。

需要注意的是I2C的通讯方式为半双工，因为只有一条数据线，某一时刻只可能单向通讯。这也说明了I2C不适合大数据量的传输应用。

对于主机、从机的区分很简单，发布主要命令的就是主机，接受命令的就是从机，同一条I2C总线允许多个主机的存在。

协议层

作为基础我们先来了解几个重要的小概念。

1、初始状态 (即空闲状态)：SDA与SCL均为上拉电阻所致的高电平时为初始状态；2、开始信号 ：当SCL为高电平的时候，SDA被拉低，此为开始信号，表明通讯开始。 3、终止信号 ：当SCL为高电平的时候，SDA被拉高，此为终止信号，表明本次通讯结束。

到这里大家有没有发现点什么？当SCL处于高电平的时候，SDA电平一旦变化就会是一种信号，要么开始要么是终止。所以在数据传输过程中， SCL处于高电平时，SDA必须保持状态稳定，只有SCL处于低电平时SDA才可以变化。

4、应答信号 ：当发送器向接收器发送完一个字节/8位数据后，第9个时钟周期内，接收器必须给发送器一个应答信号，这样数据才算传输成功。高电平表非应答，低电平表应答。

我们了解这几个信号状态后，来一步一步看看数据是如何传输的。

1、向从机设备的某一个寄存器写一个字节数据：开始信号 +设备地址(7位) +读/写(1位) +等待从机应答 +寄存器地址(8位) +等待从机应答 +要写的数据(8位) +等待从机应答 +终止信号 。下图为24C02 EEPROM存储器写数据的时序图。

2、写我们见识了，那读一个试试：下图为读取24C02当前地址一个字节数据的时序图，是不是一目了然了。值得注意的是当读的时候地址7位后的读写状态位为1 。这里说一下为什么最后是NO ACK，在“读”这个操作下，主机为接收器，主机的NO ACK表示停止接收24C02的数据，不然24C02会继续发。

3、我们再读一个长一点的：下图为读取24C02任意地址一个字节数据的时序图。开始信号 +设备地址(7位) +写(1位) +等待从机应答 +数据地址(8位) +等待从机应答 。前面这一步为假写，目的是告诉24C02要读哪个地址的数据。继续，开始信号 +设备地址(7位) +读(1位) +等待从机应答 +读到的数据(8位) +等待主机(接收机)应答 +终止信号 。

补点干货

1、设备的地址 。I2C设备的地址为8位，但是时序操作时最后一位不属于地址，而是读or写状态位。这就是为什么arduino的SH1106库里操作的地址不是0x7-而是0x3-，因为有用的是前7位，地址整体右移一位处理了。再一个设备地址的前四位是固定死的，是厂家用来表示设备类型的，比如接口为I2C的温度传感器类设备地址前四位一般为1001即9X、EEPROM存储器地址前四位一般为1010即AX、oled屏地址前四位一般为0111即7X等等。

2、I2C接口的致命缺点就是传输距离近同时速度慢。 大家在使用I2C总线接口的时候切记不要长线传输，尽量只在PCB板内传输，不然偶尔丢数据甚至读不到数据会让人崩溃，不要问我是怎么知道的，问只有眼泪。

3、关于两线为什么设计成开漏 ，这个问题我记得我之前在写《STM32单片机I/O的8种工作模式》时给大家埋下过伏笔。今天就来说一下具体原因。主要有两点①防止短路：大家想想如果不设为开漏，而设为推挽，几个设备连在同一条总线上，这时某一设备的某个IO输出高电平，另有一台设备的某一个IO输出低电平，这时你会发现这两个IO的VCC和GND短路了；但是开漏就不会有这个问题，如下图示：

第二个原因是“线与”，我们想个场景：如果总线上的一个A设备将SDA拉高，这时总线上另一个B设备已将SDA拉低，这时由于1&0=0，所以A设备检查SDA的时候会发现不是高电平而是低电平，这就表明总线上已经有其他设备占用总线了，A只好放弃，如果检测是高电平那就可以使用。如下图示为24C02芯片内部图，可以看到状态检测脚。

总结

I2C总线作为一个常见的总线协议，是非常值得我们来仔细研究琢磨的，通透以后我们再使用任意I2C接口的设备时就可以信手拈来了。我一直觉得在学习的过程中，“会使用”不一定就是我们追求的终点，会用的同时把一些更深的东西搞懂搞透会收获意想不到的喜悦。

PS.近期会有开源项目推出，敬请期待~

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[最佳回答]读一个字节啊,将SDA的数据一位一位赋值给变量k,k最开始是0,即0x00000000,当i=0时,k先左移一位,还是0x0000000,然后0x00000000与SDA相或(这里假设...

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