嵌入式系统中I2C总线通信基本方法（上）-阿里云开发者社区

将 I2C spec 文章总结为一篇，目录如下

I2C Introduction
I2C Architecture
I2C Transfer
I2C Synchronization And Arbitration
I2C Hs-mode

1、I2C Introduction

1、I2C 历史

I2C：Inter-Integrated Circuit，集成电路总线。
I2C 是 Philips 公司在 1982 年为主机板、嵌入式系统（短距）设计的一种简单、双向二线制同步串行总线。
Philips 半导体事业部就是现在的 NXP。
I2C 的专利在 2006 年 11 月 1 日已到期，大家可以免费使用。
Intel 1995 年推出的 I2C 兼容总线（System Managerment Bus），即 SMBus 或 SMB
最新版本 I2C spec v.6 于 2014.04.04 推出。

2、I2C 的未来

MIPI 协会在 2014 年左右定稿了 I3C (improved Inter Integrated Circuit)规范，I3C 在 I2C 的规格上建立了功能超集，支持高传输速率模式。
当前不论是 Soc 厂商，还是 device 厂商，都已经开始或正在向 I3C 过度。
I3C spec 有 2016 版本、2018 版本，最新的是 2021 版本(446页)。

3、I2C 的速度

I2C 读法：“I方C”、“I-squared-C”、"I two C"
I2C 是一种低速、串行总线，有 SDA(串行数据线) 和 SCL(串行时钟线) 两条信号线，半双工通信。

通信速度如下：

• Bidirectional bus:

Standard-mode (Sm), 100 kbit/s
Fast-mode (Fm), 400 kbit/s，用在 sensor、carema、touch 等。

Fast-mode Plus (Fm+),1 Mbit/s
High-speed mode (Hs-mode),3.4 Mbit/s，用在 NFC、buck&boost 等

• Unidirectional bus:

Ultra Fast-mode (UFm),5 Mbit/s

速度由 SCL 决定，不同模式对上升沿的要求不一样，上升沿斜率受上拉电阻和等效电容影响。

4、I2C 是一种多主从架构总线

I2C 的读写均由 master 端发起。
I2C 通信的每一个 byte（8bits）都需要 slaver 端的回应 ACK/NACK 作为回应。
多 master 端需要引入仲裁机制。
slaver 端通过设备地址区分，有 7bits 和 10 bits 等地址，还有一种 8bits 地址，实际上是 7bits + 读写位。【其中7位地址 = 种类型号（4bit）+ 寻址码（3bit）】

5、I2C 总线能挂多少设备？

7-bit address ：2 的 7 次方，能挂 128 个设备。

10-bit address ：2 的 10 次方，能挂 1024 个设备。

但是 I2C 协议规定，总线上的电容不可以超过 400pF。管脚都是有输入电容的，PCB上也会有寄生电容，所以会有一个限制。实际设计中经验值大概是不超过 8 个器件。

总线之所以规定电容大小，是因为 I2C 使用的 GPIO 一般为开漏结构，要求外部有电阻上拉，电阻和总线电容产生了一个 RC 延时效应，电容越大信号的边沿就越缓，有可能带来信号质量风险（方波变三角波）。传输速度越快，信号的窗口就越小，上升沿下降沿时间要求更短更陡峭，所以 RC 乘积必须更小。（可以理解为输出高电平就是给电容充电，电容越大，充电越慢）

注意，要把 spec 规定的预留设备地址去除，保留地址如下：

note：写的是 two groups，而不仅仅是八个，0000 XXX 和 1111 XXX 系列地址都是保留的。

note：注意 1111 1XXX 是 Hs-mode master code，1111 0XXX 是 10-bit slave addressing，博主后面会讲。

6、定义术语

2、I2C Architecture

I2C 采用的 GPIO 一般为开漏模式，支持线与功能，但是开漏模式无法输出高电平，所以需要外部上拉。Vdd 可以采用 5V、3.3V、1.8V 等，电源电压不同，上拉电阻阻值也不同。

一般认为 I2C 总线上，低于 0.3Vdd 为低电平，高于 0.7Vdd 为高电平。

I2C 协议中每个挂到总线上的设备都有独一无二的静态设备地址。

空闲时，I2C 总线上两根线都是高电平，因为有上拉电阻。

1、推挽结构和开漏结构

1、推挽结构：使用两个三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

图中上面是 NPN 型三极管，下面是 PNP 型三极管。分别有以下两种情况：

输出高电平：向负载灌电流。

输出低电平：从负载拉电流。

2、开漏结构（OD）：对比推挽结构，开漏结构只有一个三极管或者MOS管。

之所以叫开漏，是因为 MOS 管分为三极：源极、栅极、漏极。漏极开路输出，所以叫开漏；如果是三极管：基极、集电极、发射极，集电极开路，所以叫开集输出（OC）。

开集输出，NPN 三极管：

Vin 高电平，三极管导通，对外输出低电平，外部被直接拉到低。

Vin 低电平，集电极（C）开路，输出电平状态由外部决定。

以上分析均采用三极管，MOS 管类似。

因此，推挽结构可以输出高低电平。开漏输出只能输出低电平，高电平由外部电路决定。

2、线与功能

线与：所有 GPIO 输出高就是高，只要有一个输出低，整条线上面的都是低，这就是“与”的意思。

1、推挽结构下，两个 GPIO 口连接到一根线上，假如左边的 PMOS 导通，右边的 NMOS 导通，Vdd 就会通过两个 MOS 管直接接地，由于 MOS 管导通电阻不大，会导致电流很大，直接损坏这两个 GPIO口，因此，推挽输出不支持线与。

note：实际上并不一定是上面 NMOS 下面 PMOS，只要上下两个管子采用不同类型，即可保证同一时刻只有一个管子导通，即可分别输出高低电平。

2、开漏结构：假如很多 GPIO 是开漏结构，接到了一根线，如下图。开漏结构输出的高电平靠外部上拉，假如有一个 GPIO 接地，那么电流会通过上拉电阻流进地，因为有上拉电阻的存在，所以电流不大，不会损坏 GPIO 口。

线与，是 I2C 协议的基础！

小节

mode	open-drain	push-pull
speed	slower	fsater
power	higher	lower
slave clock stretching	yes	not supported

power 功耗上，开漏因为上拉电阻的存在，每次高低电平变换都会消耗能量，因此功耗高。

clock stretching 时钟延展方面，开漏支持时钟延展，推挽结构不支持时钟延展。原因和上面的推挽不支持线与一样的。有的人会有疑问，时钟延展不是在 SCL 低电平时，从设备去拉 SCL 线吗？不应该有问题呀。但如果是推挽 GPIO，此时主控会尝试拉高 SCL ，才会发现 SCL 被从设备拉低，这时候就会短路。

再次提醒，线与：当总线上只要有一个设备输出低电平，整条总线便处于低电平状态，这时候总线被称为占用状态。

3、上拉电阻计算

1、上拉电阻过小，电流大，端口低电平 level 增大，会发现总线上电平拉不到 0V。

2、上拉电阻过大，上升沿时间增大，方波可能会变成三角波。

因此计算出一个精确的上拉电阻阻值是非常重要的。计算上拉电阻的阻值，有明确计算公式：

最大电阻和上升沿时间 tr 、总线电容 Cb 、标准上升沿时间 0.8473 有关。

最小电阻和电源 Vdd 电压、GPIO 最大输出电压 Vol、 GPIO 最大电流 Vol 有关。

查《I2C-bus specification and user manual.pdf》7.1节：

查《I2C-bus specification and user manual.pdf》表10：

从上图可以得到最大电阻和最小电阻计算公式以及如下数据：

1、标准模式：0~100KHz，上升沿时间要求 tr = 1us

2、快速模式：100~400KHz，上升沿时间要求 tr = 0.3us

3、高速模式：up to 3.4MHz，上升沿时间要求 tr = 0.12us

note：该上升沿时间 tr 是 0.3Vdd 到 0.7Vdd 的时间要求。

假设：Vdd 是 1.8V，Cb 总线电容 200pF（虽然协议规定负载电容最大 400pF，实际上超过 200pF波形就很不好，我们以 200pF 来计算，实际大家使用时建议以 100pF 计算）

标准模式：

快速模式：

高速模式：

最小电阻（Vdd越大，上拉电阻就要越大）：

注意，高速模式下，电源电压一般采用 1.8 V，不会采用 3.3V，因为如果用 3.3V 计算你会发现最小电阻比最大电阻大。

采用合适的电源电压和合适的上拉电阻，才会让你的 I2C 传输信号最优。

大家在不同速率采用的电阻一般有以下几种：1.5K、2.2K、4.7K。

上拉电阻关系图

3、I2C Transfer

0、Definition of timing

想要深入探讨 I2C 协议，必须深刻理解各种时间的定义，如下为 F/S-mode

建立时间(Tsu)：时钟上升沿到来之前，输入端数据已经到来并稳定持续的时间间隔。
保持时间(Thd)：时钟上升沿到来之后，输入端数据继续保持稳定并持续的时间间隔。

标识符	定义
tf	信号下降时间
tr	信号上升时间
tLOW	信号低电平时间
tHIGH	信号高电平时间
tHD;DAT	数据保持时间
tSU;DAT	数据建立时间
tSP	输入滤波器必须抑制的毛刺脉宽
tBUF	启动和停止条件的空闲时间
tHD;STA	重复起始条件的保持时间
tSU;STA	重复起始条件的建立时间
tSU;STO	停止条件建立时间