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一、I2C 总线概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信总线，使用两根信号线完成设备间的数据通信：

• SCL：时钟信号线，由主机控制。
• SDA：数据信号线，用于传输数据。

I2C 采用高位先行（MSB First）的数据传输方式，支持一主多从的通信结构，最多可挂载 127 个从机设备。

二、I2C时序

（一）起始信号与结束信号

起始信号：SCL 时钟信号线为高电平时，SDA 数据信号线由高变低，出现下降沿，表示通信开始。

结束信号：SCL 时钟信号线为高电平时，SDA 数据信号线由低变高，出现上升沿，表示通信结束。

（二）数据传输规则

• SCL 时钟信号线为高电平时，SDA 数据信号线电平保持稳定，此时接收方采样数据。
• SCL 时钟信号线为低电平时，SDA 数据信号线电平可以改变，此时发送方发送数据。

（三）应答信号（ACK / NACK）

在第 9 个时钟周期，接收方需要向发送方回复应答信号：

• ACK：低电平，表示接收成功，继续传输。
• NACK：高电平，表示接收失败或传输结束。

（四）设备地址与数据流向

1. 起始信号后的第一个字节为设备地址：

• 高 7 位：设备地址。
• 低 1 位：数据流向位。

2. 数据流向位含义：

• 0：主机发送数据给从机（写操作）。
• 1：从机发送数据给主机（读操作）。

例如设备地址 0x10，二进制为 0001 000，加上读写位后：

• 写操作：0001 000 0
• 读操作：0001 000 1

（五）寄存器访问

I2C 设备通过寄存器地址访问内部寄存器，寄存器地址范围通常为 0x00 到 0xFF。

（六）I2C 通信速率

I2C 支持多种通信速率：

• 100 kHz（标准模式）
• 400 kHz（快速模式）
• 1.x MHz（快速模式+）
• 3.x MHz（高速模式）

三、写时序与读时序

（一）I2C 写时序

1. 主机发送起始信号 + 设备地址 + 写位，等待从机 ACK 应答。
2. 主机发送寄存器地址，等待从机 ACK 应答。
3. 主机向从机发送数据，等待从机 ACK 应答。
4. 主机发送停止信号。

// 通信前 仲裁丢失标志位清零 + 中断标记位清零

base->I2SR &= ~((1 << IIF) | (1 << IAL));

// 通信前，等待数据传输完毕

while ((base->I2SR & (1 << ICF)) == 0);

// 发送起始信号

base->I2CR |= (1 << MSTA);

// 主机模式：发送模式

base->I2CR |= (1 << MTX);

// 后续检测从机ACK信号

base->I2CR &= ~(1 << TXAK);

// 中断标记位清零

base->I2SR &= ~(1 << IIF);

// 发送设备地址 + 写位

base->I2DR = dev_address << 1;

// 等待从机ACK

while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

// 中断标记位清零

base->I2SR &= ~(1 << IIF);

// 发送寄存器地址

base->I2DR = reg_address;

// 等待从机ACK

while ((base->I2SR & (1 << IIF)) == 0);

（二）I2C 读时序

1. 主机发送起始信号 + 设备地址 + 写位，等待从机 ACK 应答。
2. 主机发送寄存器地址，等待从机 ACK 应答。
3. 主机重新发起起始信号 + 设备地址 + 读位，等待从机 ACK 应答。
4. 主机接收从机数据，主机回复 ACK 应答。
5. 当主机接收完最后一个字节数据，向从机回复 NACK 应答。
6. 主机发送停止信号。

四、I2C 知识点补充

（一）多主机与总线仲裁

I2C 支持多主机结构，当多个主机同时发起通信时，需要通过总线仲裁机制决定谁获得总线控制权。仲裁发生在 SDA 线上，各主机在发送数据的同时持续监测 SDA 电平，一旦发现自身发送的电平与总线实际电平不一致，即退出竞争，由发送高电平的主机让位给发送低电平的主机。仲裁过程不会破坏已传输的数据，也不会产生额外开销。

（二）时钟同步与时钟拉伸

多主机场景下，各主机时钟频率可能存在差异，I2C 通过线与机制实现时钟同步，低电平时间最长的设备决定总线时钟。此外，从机在需要处理数据或未准备好时，可以主动拉低 SCL 线，使主机进入等待状态，这一机制称为时钟拉伸，常用于低速从机与高速主机之间的速率适配。

（三）上拉电阻与电平标准

I2C 总线为开漏输出结构，SCL 和 SDA 线必须外接上拉电阻才能输出高电平。上拉电阻的阻值会影响总线上升时间和通信速率，阻值过大会导致上升沿变缓、限制速率，阻值过小则会增大功耗。常见取值在 1 kΩ 到 10 kΩ 之间，具体需结合总线电容和通信速率综合选择。I2C 还支持 3.3 V 和 5 V 等不同电平标准，可通过电平转换芯片实现不同电压域设备间的通信。

（四）7 位地址与 10 位地址

标准 I2C 使用 7 位设备地址，最多可挂载 127 个从机。当设备数量较多时，可扩展使用10 位地址模式，其首字节前 5 位固定为 11110，后 2 位为地址高 2 位，第二个字节为地址低 8 位，从而支持更多从机设备。

（五）常见应用场景

I2C 广泛应用于嵌入式系统中低速外设的连接，常见设备包括：

• 传感器：温度、湿度、气压、加速度等传感器。
• 存储芯片：EEPROM 等非易失性存储器。
• 显示模块：OLED、LCD 显示屏。
• 时钟芯片：RTC 实时时钟模块。
• 扩展芯片：GPIO 扩展、ADC/DAC 转换器等。

（六）I2C 与 SPI 的对比

I2C 与 SPI 是嵌入式中最常用的两种串行总线，二者各有优劣：

• 引脚数量：I2C 仅需 2 根线（SCL、SDA），SPI 通常需要 4 根线（SCLK、MOSI、MISO、CS）。
• 通信速率：SPI 速率更高，可达数十 MHz；I2C 标准模式为 100 kHz，高速模式可达 3.x MHz。
• 多从机寻址：I2C 通过设备地址寻址，SPI 通过片选信号 CS 选择从机。
• 全双工：SPI 支持全双工通信，I2C 为半双工。
• 总线占用：I2C 支持多主机仲裁，SPI 通常为单主机结构。