系统与性能

I2C总线协议详解：硬件原理与通信时序

四层架构

  • 应用程序：决定要显示什么，比如Hello
  • 库函数：决定字符怎么转， ‘H’ -> 点阵字符
  • 设备驱动：决定芯片怎么写，如操作SSD1306寄存器
  • HAL库：决定信号怎么发，用 HAL_I2C_Master_Transmit

硬件连接

I2C有两条数据线：

  • SCL（Serial Clock）：时钟线，进行时钟同步
  • SDA（Serial Data）：数据线，发送数据

所以I2C是半双工的，因为只有一条数据线。

I2C是一拖多的，可以一个主设备带多个从设备，比如：

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STM32（主设备）
           │
     ┌─────┴─────┐
    SCL         SDA
     │           │
   ┌─┼───┬───┬───┼───┬───┐
   │ │   │   │   │   │   │
  OLED 陀螺仪 EEPROM  其他...

为什么需要上拉电阻？

SCL、SDA都是开漏输出，只能拉低，不能主动拉高。 默认状态下就是高电平，由上拉电阻拉高。任何设备拉低，整条线就变低，这样就实现了线与逻辑，是实现一拖多的基础。

为什么要用开漏输出？

不用会发生什么

如果不用开漏输出，假设： 主设备想输出高电平，接VCC； 从设备想输出低电平，接GND 就会短路导致烧坏电路。

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设备A输出高电平 ────────┐
                        ├──→ 短路！烧电路
设备B输出低电平 ────────┘

普通推挽输出有两个MOS管：

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VCC ── [P-MOS] ── 输出 ── [N-MOS] ── GND
         ↑ 高电平导通      ↑ 低电平导通

A输出高 → P-MOS导通 → 输出接VCC
B输出低 → N-MOS导通 → 输出接GND
结果：VCC直接连GND，短路

开漏输出如何解决

去掉上面的P-MOS，只保留下面的N-MOS：

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VCC ── [上拉电阻] ── 输出 ── [N-MOS] ── GND
                          ↑
                      只有一个管子

想输出高电平，不导通就行，上拉电阻会拉高。想输出低电平，导通N-MOS，电平会被拉低。 输出高电平，代表设备不参与。

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设备A输出"高"（不驱动）──→ 悬空，不影响
                          ├──→ SDA = 低（B拉低）
设备B输出"低"（拉低）────→ 接地


设备A输出"高"（不驱动）──→ 悬空
                          ├──→ SDA = 高（上拉）
设备B输出"高"（不驱动）──→ 悬空


设备A输出"低"（拉低）────→ 接地
                          ├──→ SDA = 低
设备B输出"低"（拉低）────→ 接地

任何组合都不会短路，因为没设备真的能输出高电平。 I2C总线上有多个设备，开漏输出让多个设备同时控制一个线这件事变得安全。

信号定义

Start

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SCL: ‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾（保持高）
SDA: ‾‾‾‾\_________（高→低，在SCL高时发生）
          ↑
       这就是Start

含义： 设备说"我要开始说话了"

因为默认就是高电平，Start是高拉低更合理。

Start是一个瞬间的跳变信号，不是持续状态。

Start之后立即开始发时钟：

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完整时序：
Start信号          第1时钟周期（发地址B7）    第2时钟周期（发地址B6）
         ↓                   ↓                        ↓
SCL: ‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾\__/‾‾\__/__/‾‾\__/__/‾‾\__/...
               ↑     ↑    ↑   ↑    ↑    ↑   ↑
            Start后  低   高   低   高    低   高
            SCL变低  ↑         ↑
                   设置B7    从设备读B7

SDA: ‾‾‾‾‾\_________________/‾‾‾\___/___/‾‾‾\___/...
         ↑   ↑                 ↑       ↑
      Start  Start后           B7=1    B6=0
            保持低             ↑       ↑
                            SCL高时   SCL高时
                            从设备读  从设备读

在SCL变低后，第一次变高就开始发数据，也就是第一个时钟的时候。

Stop

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SCL: ‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾（保持高）
SDA: _____/‾‾‾‾‾‾（低→高，在SCL高时发生）
          ↑
       这就是Stop

含义： 设备说"我说完了"

时钟线只有主设备能控制，数据线则是任何设备都能控制。

数据位

SCL低时，SDA可以变化（准备数据） SCL高时，SDA必须稳定（接收方读取）

那怎么表示01呢？SCL高电平的时候，SDA是什么就是什么。

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发送数据位 1：
SCL: ___/‾‾‾\___
SDA: ___/‾‾‾\___    ← SCL高时，SDA也是高 = 数据1

发送数据位 0：
SCL: ___/‾‾‾\___
SDA: ‾‾‾\___/‾‾‾    ← SCL高时，SDA是低 = 数据0

空闲

空闲的时候，两根线都是高电平，因为是开漏输出，没设备驱动，默认就是高电平。

情况SCL状态说明
空闲高电平上拉电阻拉高，没人驱动
通信中交替高低主设备驱动，产生时钟
时钟拉伸低电平从设备故意拉低，让主设备等待

主设备是有绝对控制权的，Start和Stop只能主设备发起。

传输格式

主设备写

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主设备：Start → [设备地址+Write] → [数据1] → [数据2] → ... → Stop
从设备：           ↓              ↓         ↓
                 ACK            ACK       ACK

注：设备地址+W = 7位地址 + 0（写位）

如果从设备不想接收了，比如缓冲区满了、设备忙碌或者发现数据错误，可以发送NACK。

在发送完8位数据后，紧接着的第九时钟就是ACK/NACK的发送时机。第九时钟的高电平期间，接收方拉低SDA=ACK。

那问题来了，接收方不拉低SDA是不是就是NACK？那怎么知道从设备是不处理ACK呢？还是发生了NACK呢？ 答案是在硬件上，发送方是无法区分的，但我们可以在逻辑上区分，通过上下文判断：

情况1：设备不存在（地址阶段NACK）

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Start → 地址0x50+W → NACK → Stop
                        ↑
                    地址阶段就NACK
                    → 没找到设备

主设备判断：

  • 地址发出去，第一个ACK就是NACK
  • 这个地址上没有设备（或设备坏了）
  • 应该报错、重试、或换地址

情况2：设备拒绝继续（数据阶段NACK）

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Start → 地址0x50+W → ACK → 数据1 → ACK → 数据2 → NACK → Stop
        ↑             ↑              ↑
      设备存在      正常接收        设备说"够了"

主设备判断：

  • 地址阶段有ACK → 设备存在
  • 数据阶段才出现NACK → 设备故意拒绝
  • 正常结束，不算错误

主设备读

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主设备：Start → [设备地址+Read] → 等待 → [读取数据] → NACK → Stop
从设备：           ↓            ↓         ↓
                 ACK         发数据     （收到NACK停止）

如果主设备发ACK，代表还要继续读，如果主设备发NACK，说明可以停止了。 NACK后从设备释放SDA，主设备可以发Stop。

主设备读后，也要发ACK，如果要终止，需要发NACK，再发Stop，不应该在ACK后接Stop。

如果主设备发送完地址后，从设备没准备好，可以把SCL拉低，这时候主设备就会等待，这就叫时钟拉伸。 这是I2C协议允许的，SCL也是开漏设计就是为了这个。

ACK机制

传输8位数据后：

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时钟周期：  1  2  3  4  5  6  7  8  9
            ↑                    ↑
          数据位              ACK位
  • 如果是写操作：从设备发ACK，表示收到了
  • 如果是读操作：主设备发ACK说明还要继续发，发NACK说明够了

ACK怎么发

  • 接收方在第9时钟拉低SDA = ACK
  • 接收方不碰SDA（保持高） = NACK

ACK只能在SDA发，因为SCL是时钟线，不应该进行数据发送。

协议和数据含义

协议只规定了：

  1. Start/Stop信号格式
  2. 7bit地址+1bit数据方向
  3. 每字节8bit+1bit ACK

芯片可以自己规定地址后面的Byte有什么含义！

例子：EEPROM（存储芯片）

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Start → [设备地址+W] → [存储地址] → [数据] → Stop
                        ↑            ↑
                    要写到哪里    写什么数据

例子：MPU6050（陀螺仪）

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Start → [设备地址+W] → [寄存器地址] → [数据] → Stop
                        ↑              ↑
                    配置哪个寄存器   配置值

结论： I2C协议只规定"怎么传"，不规定"传什么"。数据含义要看芯片手册。

总结表格

概念要点
开漏输出只能拉低，不能主动拉高，上拉电阻提供默认高
线与逻辑任何设备拉低，整条线就低
StartSCL高时SDA高→低
StopSCL高时SDA低→高
数据位SCL低时变化，SCL高时稳定
ACK第9时钟，接收方拉低表示确认
读NACK主设备发NACK表示"读完了"
协议边界只规定传输格式，数据含义芯片自定义