I2C通信 - 技术栈

2026.10.10 I2C通信协议复习

part1：I2C定义理解

采取的是双线同步半双工 的方式，即主机与从机之间由两根通信线连接，同一时刻总线上只能有一个主机控制 SCL 发起传输，但数据方向可以是主机→从机（写），也可以是从机→主机（读），故为半双工模式，这两根通信线分别是时钟线SCL和数据线SDA，SDA上的变化遵从SCL的变化，故为同步模式

补充：I2C并不只是一主一从总线，也可以是多主多从总线，下述均以一主一从为例说明

part2：I2C通信的电路理解

I2C通信的两根通信线上，都必须外接上拉电阻 ，也就是要配置成开漏输出模式，使得在没有通信状态下自动被上拉电阻拉高至vcc(即高电平1)，我们以SDA为例，完整电路自vcc开始应该是vcc连接上拉电阻，再接SDA，经nmos管(这里是设备内部的)后接到GND ，由于这个电阻是弱上拉电阻，当nmos管被导通后，SDA上的电平会由于GND的作用被强下拉到低电平0，细究电路原理，是因为nmos管导通后会有一个极小的电阻，由分压公式可以推出这个电阻的分压约为0.035V，跟0V十分接近，故相当于低电平逻辑0连接SDA，而上拉电阻等阻值的计算需要根据器件和通信速率等来决定
"线与"：总线上，任意一个设备输出低电平，整条线都会输出低电平，反之，只有当所有设备输出的都不是低电平时，整条线才是高电平，可以用上面的电路逻辑推出

part3：I2C通信的基本构成部分和数据帧

①六个构成部分

注：SCL完全由主机控制，SDA只有在主机释放后从机才获得控制权

1. START（起始条件）

SCL 高时，SDA 由高变低。
主机发起，占用总线。

2. STOP（停止条件）

SCL 高时，SDA 由低变高。
主机发起，释放总线

3. 发送一个字节

发送方把 8 位数据放到 SDA 上。
SCL 低时改变 SDA(由主机决定输入的值来决定)，SCL 高时保持稳定，此时从机读取数据。
MSB(最高有效位) 先发。

4. 接收一个字节

主机释放SDA总线
SCL 低时改变 SDA(由从机决定输入的值来决定)，主机在每个 SCL 高电平期间采样 SDA。
收满 8 位组成一个字节。
也是 MSB 先收。

5. 发送应答（ACK/NACK）

接收方在第 9 个时钟发出。
拉低 SDA = ACK ，释放 SDA = NACK。

6. 接收应答（ACK/NACK）

发送方在第 9 个时钟读 SDA。
读到低 = 对方 ACK；读到高 = 对方 NACK。

②数据帧的组成

1.写操作

scss 复制代码

START → 发送字节(从机地址+W) → 接收应答 → 发送字节(数据) → 接收应答 → STOP

2.读操作

scss 复制代码

START → 发送字节(从机地址+W) → 接收应答 → 发送字节(寄存器地址) → 接收应答
  ①        ③              ⑥          ③                    ⑥
→ Repeated START → 发送字节(从机地址+R) → 接收应答
      ①              ③              ⑥
→ 接收字节(数据) → 发送应答(NACK) → STOP
      ④              ⑤              ②

注：连续读和连续写时，每次对寄存器地址发送或读取数据后，寄存器地址都会自增

4.剩余未解决问题

发送方/接收方 vs 主机/从机
- 主机不一定是发送方，从机不一定是接收方。
- 读操作时，从机是发送方，主机是接收方。
时钟拉伸（Clock Stretching）
- 从机拉低 SCL 强制主机等待。
- 这是 SCL 开漏结构的重要作用。
多主机仲裁
- 两个主机同时发，靠线与逐位仲裁。
- 输的一方退出，赢的一方继续。