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串口通信回顾
在前面我们已经了解UART串口通信了，它是一种简单易用的通信方式。
但在嵌入式编程中光学习一个串口通信，显然无法满足我们的需求，现在我们再来回顾一下串口通信的特点，分析一下串口通信的局限性。
串口通信的特点
串口（USART）通信是一种点对点的、全双工的、异步串行通信方式，它只需要两根线（Tx 和 Rx）就可以实现数据的发送和接收。
在通信过程中，发送方和接收方需要事先约定好相同的波特率，以此来保证数据能够被正确解析。
除此之外，串口通信还需要约定数据帧格式，比如起始位、数据位以及停止位等。
由于串口通信结构简单、实现成本低，因此在 PC 与单片机通信、传感器数据采集、蓝牙 / Wi-Fi 模块通信 等场景中被广泛使用。
串口通信的局限性
在串口通信中，通信双方通常是一对一、点对点的关系。
虽然在实践中，确实也可以通过增加多组 TX / RX 引脚，勉强实现一对多通信，但这种方式存在明显的问题：
- 硬件接线会很复杂，复杂性高，可维护性差。
- 单片机的引脚资源有限，这导致可连接的串口设备数量受限。
- 以我们使用的STM32F103C8T6单片机为例
- 该款单片机一共有三个USART外设，分别是：USART1、USART2以及USART3
- 实际可用的Tx和Rx引脚只有四对，其中有两对都属于USART1外设
- 所以，即便不考虑引脚使用过多、接线复杂、软件实现繁琐等问题，使用串口通信在多设备通信数量上，也存在显著瓶颈。
- 串口通用无法真正做到一对多通信。在同一时刻，一个串口只能做到与一台设备进行通信。
在嵌入式系统中，一对多通信的需求并不少见。
尤其是在资源紧张、引脚数量有限的情况下，实现一对多通信是嵌入式开发者必然面临的场景。
为了解决这个问题，我们需要学习一种新的通信方式，也就是I2C通信。
I2C通信 VS 串口通信
虽然我们还没有学习I2C通信，但不妨碍我们先来比较一下I2C通信和串口通信的差异，大家权当先了解一下。
待到学完I2C通信后，相信大家会对下列表格的内容有更加深入的理解。
| 特性 | USART（串口通信） | I2C（I²C通信） |
|---|---|---|
| 连接方式 | 点对点 | 多设备总线连接 |
| 所需引脚 | 每一台设备都需要 2 个引脚（TX、RX） | 即便连接多台设备，也仅需 2 个引脚（SCL、SDA） |
| 可连接设备数量 | 受 USART 引脚数量限制（通常 2~3 个） | 理论支持多达 100+个设备 |
| 通信模式 | 一对一（点对点） | 一对多（支持主从模式） |
| 数据传输方式 | 异步串行传输 | 同步串行传输 |
| 数据传输速率 | 波特率9600 - 115200 bps | 标准模式 100 Kbps，高速模式 400 Kbps |
| 设备寻址 | 无设备寻址，发送端和接收端点对点通信 | 支持设备寻址（7-bit 或 10-bit 地址） |
| 全双工/半双工 | 全双工（可以同时发送和接收数据） | 半双工（同一时刻通信时只能单向传输） |
| 适用场景 | 单片机与PC调试通信、GPS、蓝牙Wi-Fi通信 | 传感器网络、EEPROM 存储、嵌入式设备之间通信 |
串口通信虽然简单易用，但由于 需要独立的 TX/RX 线、端口数量受限、缺乏寻址能力，在多设备通信场景下并不适用。
因此，在嵌入式开发中，我们更倾向于使用 I2C 或者其它通信方式来进行一对多的通信。
I2C 仅需 两根信号线（SCL 和 SDA），即可实现一对多个设备的通信，同时实现简单易用性强、灵活和扩展性也非常不错。
总的来讲，I2C是嵌入式环境下，多设备通信中的性价比之选
下面我们正式开始学习I2C通信！
I2C是什么？
按照老规矩，我们在学习一个新的技术模块时，还是先来了解一下与这个技术模块相关的一些概念。
比如一个很简单的问题：I2C是什么东西？
I2C通信最早由飞利浦（现恩智浦半导体）公司，在1982年左右开发提出。
I2C是英文词组Inter-Integrated Circuit的缩写，更准确的缩写是"I2C"，其中的2表示"I"字母的平方，即两个I。
在中文语境下，不要把它读成"I 二 C"，而是要读成"I 方 C"，其中方表示平方的意思。
如何理解Inter-Integrated Circuit这个词组呢？
- Inter-：意为 "相互、互相"，表示设备之间的交互通信。
- Integrated Circuit（IC）：指 "集成电路"，也就是各种芯片。
所以I2C通信就可以理解成：集成电路间的通信、芯片之间的通信。
I2C 正是为了解决 不同芯片、不同集成电路之间进行数据通信 这一需求而设计的一种通信协议。
直到今天，I2C 依然是嵌入式系统中最常见的通信协议之一。
I2C通信被广泛应用于 单片机与各类外设芯片（如OLED、传感器、EEPROM 等）之间的通信。
- I2C通信是芯片之间的通信，通信双方芯片按照各自的程序，基于I2C通信协议完成通信
- 不要把I2C通信理解成谁控制谁，双方都是芯片，都有烧录好的程序，双方基于同样的I2C通信协议
- 只要双方在约定好的时间，做约定好的事情，通信就完成
- 对于我们而言，单片机有我们控制，单片机的I2C通信程序也由程序员完成
- 而与单片机进行I2C通信的设备，它有烧录好的I2C通信程序，我们不需要关心它的程序实现
总线
经过上面的描述，再加上对串口通信的了解，你一定已经对 I2C 有了一个基本认识：
I2C 是一种引脚资源占用少，但却能够实现多台设备通信的通信方式。
那么问题就来了：
多台设备，是如何在只使用极少引脚的情况下，实现通信的呢？
最起码的，接线是如何接的呢？
要回答这个问题，就不得不先引入一个非常重要的概念------总线。
什么是总线呢？
其实前面讲单片机系统架构时，也提过这个概念。
总线（Bus）是计算机系统中，多个设备之间共享的，数据传输通道。
通过总线结构：
- 多台设备不再需要一对一单独连线实现通信，而是统一将自身"挂在"总线上。这样就大幅度减少了引脚数量的使用，降低了接线复杂度。
- 相同总线上连接的设备，可以共用同一套通信协议进行通信，进一步降低了系统的复杂性。
结合上面的描述，通俗一点，可以把总线理解成"高速公路"：
一条公共道路，多辆车都能上路，拥有统一的交通规则，这样大家都能顺利抵达目的地。
I2C总线
I2C通信，正是一种典型的总线式通信手段，所以很多地方也会直接把I2C通信，叫做I2C总线。
I2C通信对引脚资源的占用很少，使用的接线也很少，只需要两条信号线就可以了。这是I2C通信的优势！
在I2C通信中：
- 所有设备，都将自身挂载在同一条I2C总线上。
- I2C总线，仅包含两条线，即SDA总线与SCL总线。
- 通信设备自身，也仅占用两个引脚，即SDA引脚和SCL引脚。
其总线结构，如下图所示：
这两条总线分别是：
- SCL，Serial Clock Line，串行时钟信号线：I2C是同步串行通信方式，由SCL时钟信号线控制产生统一的时钟信号。
- SDA，Serial Data Line，串行数据传输线：用于双向传输数据，总线上所有设备的数据通信，都通过这一条数据总线完成。
关于这两条总线的详细作用以及工作原理，这些内容比较复杂，且都涉及I2C通信协议，我们留到后续小节再讲。
现在，仅看I2C总线结构，以及这两条总线的大体作用，你能得出什么结论呢？
这里，希望大家能够记住以下结论：
- I2C仍然是一种串行通信，I2C总线就是"串行总线"。
- 数据以 bit 为单位进行传输，通信时是 1 bit、1 bit 地依次传输。
- 数字电平含义与串口通信一致：高电平代表1，低电平代表0。
- 这种总线设计使得，即便单片机需要与多台设备通信，也仅需要占用两个引脚，大大减少了通信引脚资源的占用。
- 这种总线设计使得，即便单片机需要与多台设备通信，其余设备也只需要将自身挂在总线上，大大降低电路设计复杂性。
- 通信双方，只能通过一条SDA总线进行传输数据，显然，I2C肯定不是一种全双工通信协议。
- I2C是典型的半双工通信协议，在同一时刻，I2C通信中，数据都只能单向传输。
- 比如单片机给设备1发数据时，设备1就只能接收，而不能发送。
- 当然数据通信是双向的，在下一个时刻，设备1可以给单片机发数据，单片机此时只能接收。
- 半双工，意味着数据不能同时双向传输，但仍然支持双向数据传输。
至此，我们已经对 I2C 的总线式通信结构有了一个整体认识。
那么就会产生这样的疑问：
总线式设计将所有的设备，都挂载在总线上。
这么多设备都在总线上，如果随便发数据，随意互相通信，势必乱了套。
所以，I2C通信中，通信的过程是怎么控制的呢？由谁来控制呢？
为了回答这个问题，我们就需要了解I2C通信中，最重要的、最核心的概念------主从模式。
主从模式（重点！）
在I2C通信中，最核心且最重要的特点就是：主从模式。
通过 I2C 总线连接的多台设备，具有 "主-从"（Master-Slave） 关系。
整个I2C总线上的设备，可以分为两大类：
- 主机（Master）：负责控制时钟信号总线（SCL），生成时钟信号，控制通信时序，掌控整个通信的过程。
- 从机（Slave）：响应主设备的请求，执行数据发送或接收，本身不参与任何通信过程的控制。
严格来说，I2C 通信协议支持的主从模式是：一主多从，并且支持主设备切换。
在学习阶段，为了便于理解和实现，在后续我们固定把单片机作为主机，其它通过 I2C 总线与单片机相连的设备，一律视为从机。
在实际工程应用中，为了避免多设备竞争总线控制权而引发冲突，主设备切换这一功能也并不常用。
绝大多数实际场景中，I2C都是采用固定主机，一主多从式的通信方式。
该如何理解主从模式呢？
其实上面已经写得非常清楚了------I2C通信过程中，任何通信的操作都是由主机发起并控制的。
比如：
- 主机可以主动将数据发给从机，从机被动接收数据。
- 这种操作，称之为**"I2C的写模式**"。
- 站在主机的视角，将数据输出传递，这就是写！
- 从机不可以主动擅自将数据发给主机！
- 从机只能在主机的要求下，被动地将数据发给主机。
- 这种操作，称之为"I2C的读模式"。
- 站在主机的视角，从机输入数据，这就是读。
或者我们举一个通俗的例子：
所谓主从模式，就是皇帝和太监。
皇上想做什么，就跟太监说，太监必须配合去做。
太监想做什么，那是不可能的，太监不能主动做事情。必须是皇上让他做，他才可以做。
总之：
在I2C通信中，任何数据交互都必须由主机发起，任何通信过程都由主机控制，从机只能被动配合！这是I2C通信协议最重要且最核心的概念！！
主从模式容易产生的误解
在理解了 I2C 的主从通信模式之后，有些同学可能会产生这样一种疑惑与误解：
既然主机完全控制通信过程，那么是不是意味着：
如果没有主机的控制，从机就什么也做不了？什么都不会做？
主机完全控制从机，如果没有主机控制，从机啥也做不了，啥也不会干。
是不是这样呢？
这显然是一种误解，主机虽然有"控制欲"，但肯定不会这么强。
从机需要配合主机完成通信，基于I2C通信协议，在这个过程中，从机有自身应当完成的工作，不是所有事情都由主机控制。
当然主机完全控制从机，这种事情也不可能做得到。
还是举例皇帝和太监。
皇上饿了，跟太监说"我饿了，弄点吃的来。"
太监于是去准备吃的，并且端过来。
这个过程，太监必然具有一定主观能动性，根据自身对皇帝喜好的了解，准备一些吃的，端上来。
但这个过程肯定不会是："我饿了，你去菜园子搞点西红柿，再去鸡窝里捡几颗鸡蛋，然后把西红柿洗好了，切好了，先炒好鸡蛋..."
总之：
在I2C通信的过程中，主机具有绝对控制权，但主机只负责控制通信的重要节点，比如通信的开始，结束等。
从机需要按照通信协议，自主完成一些工作，比如数据接收和发送。
实际上，I2C本身就是两颗芯片之间的通信。
既然双方都是芯片，那么芯片内部必然都存储了符合I2C通信协议的程序。
作为单片机开发者，我们负责开发单片机的内部程序，而与单片机通信的从机设备，它们芯片上的程序已经在生产制造时烧录完成了。
只要你编写的，单片机上的程序，完全符合I2C通信协议，那么通信就会成功实现。
从机地址
I²C 通信是一种 "一对多" 的主从式通信方式。
在一条 I2C 总线上，主机可以连接多个从机设备。那么主机如何在多个从机中，找到目标从机设备呢？
这时就需要了解一个"从机地址"的概念。
在 I²C 通信中，从机地址（Slave Address） 是 主机 用来选择通信对象的唯一标识。
整条I2C总线上挂载的多台从机设备，每一台都需要拥有一个唯一的从机地址。
主机在控制通信开始时，会在总线上发送目标从机地址，只有匹配该地址的从机才会响应，从而建立通信关系。
在I2C通信中，这个过程被指为"寻址"。寻址对于I2C的任何通信过程而言，总是第一步需要完成的行为。
从机地址的确定
如何确定一台从机的从机地址呢?
首先从机地址，从格式上来说，通常就是一个7位的二进制数。
而具体到设备，大多数I2C从机设备，其从机地址在设备生产制造时就已经设定好了。
所以，获取从机地址，最准确的做法是：查阅厂商提供的官方数据手册
除此之外，还可以：
- 咨询设备的销售商。
- 向有经验的同学 / 同事 / 工程师请教。
- 借助 AI 工具，根据设备型号查询相关资料
当然无论你从什么渠道获取了从机地址，最终都需要验证一下再相信。
从机数量的限制
在上面的表格中，我们提到：I2C通信，理论支持的最大设备数量是100+。
这个数据并不是胡编乱造的，而是根据从机地址计算得出。
既然 I2C 从机地址是一个 7 位的二进制数，那么理论上可表示的从机地址数量就是：27 = 128
I2C 通信协议中自保留了一部分特殊地址，不能分配给普通从设备，例如：
- 0000 000（7位0）：通用呼叫地址，广播地址，即主机广播式的向每一台从机发数据。
- 1 1 1 1 1 1 1（7位1）：无特殊含义用途，但协议自保留，从机不能使用
- ...等等
因此，在实际 I2C 系统中，可用的从机地址数量并不是 128，而是大约 100+ 个。
当然这个数量已经非常多了，在绝大多数嵌入式场景中，已经非常够用了。
从机地址冲突的问题
从机设备那么多，生产的厂商也很多，不可能都事先商量好。
如果两家生产的从机设备，出现了从机地址冲突，该怎么办？
这个问题非常好，有时候确实也会碰到。
而且这还涉及到一个非常重要的问题：
如果I2C总线上，挂载着两台相同从机地址的从设备，会出现什么情况呢？
答：
- I2C 总线上，不能同时存在两台地址完全相同的从机。
- 一旦寻址出现了多从机响应，后续通信一定会失败！
- 任何一个时刻，主机都只能与一台从机设备，进行正常的双向数据通信。
原因也很简单，I2C通信过程中，主机发送从机接收，从机发送主机接收。这个数据通信是双向，可切换的，只是不允许同时发生。
一旦通信过程允许超过1台从机参与，那么多台从机就会争抢同一条总线的使用权，就会出现总线冲突问题。
I2C通信是无法解决这种问题的，这在物理线路上就不可能实现。
所以切记，I2C通信，同一条总线上只允许挂载从机地址不同的，多台从机设备。
从机地址的出厂特殊设计
为了避免从机地址冲突，设备的生产厂商在设置从机地址时，都会进行一些特殊的设计。
大多数厂商生产的从机设备，其从机地址都不是绝对固定的7位二进制数。
最常见的情况是：7位从机地址的高几位固定不变，但低几位设置为可配置。
举一个例子：
厂商生产了一种支持I2C通信的从机设备A，其从机地址的高6位固定为：011 110
而最低的1位可以在使用时，自由配置：可以配置为0，也可以配置为1。
那么，该设备在实际使用时，就可以切换两种不同的从机地址：
- 011 1100
- 011 1101
这种设计就增强了从机地址的灵活性，降低了从机地址冲突的可能性。
除此之外，这种设计还有一个明显的好处：
如果我想在嵌入式系统中，接入两台A设备作为从机，可以实现吗？
答：当然是可以实现的。只需要在接入总线时，将A1设备的从机地址设置为011 1100，A2设备的从机地址设置为011 1101。
当然，如果你还是想问，两台从机地址一样的设备，就真的没有办法接入同一条I2C总线了吗？
答：确实是这样，这是 I2C 通信本身的局限性，或者说特性。
扩展：关于广播模式
部分同学在了解了从机地址冲突的问题之后，可能还会产生这样一个新的疑问：
I2C通信不是支持广播模式吗?
广播模式下，不就是一台主机与多台从机，同时进行通信吗？
这又是什么情况呢？
其实这个问题回答起来非常简单。
首先，我们要知道，I2C之所以不允许多台从机参与通信：
是因为在一般通信情况下，多台从机如果同时向主机发数据，会产生总线竞争，出现无法解决的冲突问题。
而广播模式，显然是没有这种烦恼的！
大家上中学的时候，教室里都有广播大喇叭。
这个大喇叭就是主机，所有学生都是从机。
这个过程中，大喇叭发声，学生只需要听着就行。
学生需要回复大喇叭吗？大喇叭关心学生的回复吗？
显然是不需要的。
在I2C的广播模式下，虽然允许多台从机同时参与通信。但这些从机只负责接收主机数据，而不会向主机发送数据。
这些从机不需要竞争总线，不会产生冲突，自然就没有问题了