I2C（Inter-IntegratedCircuit Bus）

I2C（Inter-IntegratedCircuit Bus）最早是由PHilip半导体（现在被NXP收购）于1982年开发。 主要是用来方便微控制器与外围器件的数据传输。

目前最新的协议版本是2021版：NXP：I2C-bus specification and user manual（UM10204）

标准相关介绍见网站：I2C-Bus

常用版本为Standard和Fast-mode (Fm)，其他版本很少用，另速率最快的版本Ultra-fast mode (UFm)和其他版本差异大，主要用于LED驱动器¹⁾。

I2C有两个信号，单向的时钟SCL（主 > 从）和双向的数据SDA。时钟信号虽由主机提供，但从机有时可以拉低SCL，以便减慢通讯的速度，如等待从机处理完数据后再回复，此功能为时钟扩展，详见²⁾。

连接拓扑如下图³⁾。I2C总线允许多主机，但同一时刻只能有一个主机，通过SCL时钟同步和SDA线仲裁来决定谁是主机，其他设备则均为从机⁴⁾。

如需扩展或及中继则可以参考下图⁵⁾。

SCL/SDA内部电路如下图，写的同时可以读，以确认是否写成功，如下图：

除Ultra-fast mode (UFm)外，均是开漏输出，外部需要加上下拉电阻，阻值范围一般为1~10kΩ，常用为4.7kΩ⁶⁾⁷⁾

同一I2C总线上的地址需不同，常用的为7位地址，拓展的为10位地址（不是所有的器件都支持）。

主从器件之间是否需要电平转换⁸⁾？

1.8/3.3/5V之间的电平转换：用三极管（400KHz以下）、MOS管（1MHz以下）搭建转换电路，或直接用转换芯片（参考 Voltage Translation Buying Guide）

在通讯过程中，当从设备把SDA拉低，而此时主设备异常重启，主设备检测到SDA拉低，认为SDA被占用，同时主设备初始化SCL被拉高，从设备则一直等待SCL被拉低，从而陷入主从设备互锁的状态。

解决方案：

• 硬件：复位主设备的同时，硬件复位从设备
• 软件：主设备复位后，控制主设备的SDA和SCL，模拟正常的通讯，使得从设备释放SDA。具体步骤见mbedded: I2C Communication Protocol > Stuck I2C Buses

• 起始条件：时钟信号线（SCL）为高电平时，数据线（SDA）产生一个下降沿⁹⁾。
• 停止条件：时钟信号线（SCL）为高电平时，数据线（SDA）产生一个上升沿。
• 数据有效性：当时钟信号为高电平的时候，数据线上的信号需要保持不变。
• 应答位：当主机传送8位数据结束后，主机拉高SDA，如果从机拉低SDA并在SCL高电平时保持低电平，这个信号为ACK信号（从机正确接收数据）。
• 非应答位：当主机传送8位数据结束后，主机拉高SDA，如果SDA保持高电平则该信号为NACK（数据传输出错）。

读写操作如下图¹⁰⁾：

上述为常用的7为地址的读写，对于拓展的10位地址的读写，区别为前两个字节为10位地址(前缀11110表示这两个字节为10位地址)，7位和10位对比如下图¹¹⁾。

SMBus：最初开发用于协助电池管理系统，使用I2C硬件，但增加了第二级软件，最终允许器件热插拔，而无需重新启动系统。

PMBus：扩展了SMBus，定义了一组专门用于管理功率转换器的器件命令，暴露了器件的测量电压、电流、温度等属性。

一般而言，I2C Primer、SMBus和PMBus器件可以共享总线而不会发生什么大问题。

三者之间的具体区别如下¹²⁾：

逻辑分析仪和示波器均可以测试I2C，软件工程师看协议推荐用逻辑分析仪，硬件工程师看信号推荐用示波器，带解码的示波器则可以兼顾软硬件工程师的需求。

单独逻辑分析仪的测试说明见DreamSourceLab：利用逻辑分析仪进行I2C总线的全面分析 “3. 逻辑分析仪准备”至“5.进阶分析”