I²C通信协议原理是什么

作者：赏金船长官网物联网 / 行业百科 / I2C协议, 通信协议 / 2025年6月27日 10:51:14

　　I²C(Inter-Integrated Circuit)通信协议是一种同步、半双工、多主多从的串行总线协议，由Philips Semiconductors(现NXP)于1982年开发，广泛应用于短距离板级设备通信(如微控制器与传感器、EEPROM、LCD等的连接)。其核心原理如下：

　　一、物理层特性：两线制与电气规范

　　总线结构

　　仅需两条线： 串行数据线（SDA） 传输数据， 串行时钟线（SCL） 提供同步时钟信号。

　　开漏输出设计：SDA和SCL均通过上拉电阻连接电源(典型电压3.3V或5V)，当设备释放总线时呈高电平;设备主动拉低电平输出数据。

　　总线电容限制：总线上设备数量受最大电容400pF限制，通常支持挂载≤10个设备。

　　主从模式

　　多主多从架构：支持多个主设备(发起通信)和多个从设备(响应通信)，通过仲裁机制解决总线冲突。

　　设备唯一地址：每个从设备有独立的7位或10位地址，主设备通过地址寻址目标从机。

　　二、协议层机制：通信时序与控制

　　起始（START）与停止（STOP）条件

　　START：SCL为高电平时，SDA从高→低跳变，标志通信开始。

　　STOP：SCL为高电平时，SDA从低→高跳变，标志通信结束。

　　重复START：在不释放总线的情况下开始新传输，优于STOP+START组合。

　　数据传输格式

　　消息结构：由地址帧(Address Frame)和数据帧(Data Frame)组成，每帧8位数据+1位ACK/NACK 。

　　地址帧：

　　7位地址模式：高7位为从机地址，最低位为读写标志(0：主写，1：主读)。

　　10位地址模式：首字节前5位固定为11110.后2位为地址高位;次字节为地址低位。

　　数据帧：每传输8位数据后，接收方在第9个时钟周期发送ACK(拉低SDA)或NACK(保持SDA高)。

　　ACK/NACK机制

　　ACK：接收设备在SCL第9个高电平时拉低SDA，确认数据接收成功。

　　NACK：接收设备保持SDA高电平，表示：

　　数据接收失败

　　从机忙(时钟拉伸)

　　主设备需终止传输。

　　三、关键控制机制

　　时钟同步（Clock Synchronization）

　　多主设备竞争时，SCL线通过“线与”逻辑合并时钟：

　　任一主设备拉低SCL，总线即低电平;

　　所有主设备释放SCL后，总线才恢复高电平。

　　时钟拉伸（Clock Stretching） ：从设备可拉低SCL延长周期，强制主设备等待，解决速度不匹配问题。

　　仲裁（Arbitration）

　　多主设备同时发送数据时，通过SDA线电平竞争：

　　设备发送高电平时检测到SDA实际为低，则退出竞争并切换为从模式。

　　仲裁失败的主设备可重试，不影响数据传输完整性。

　　寻址扩展与保留地址

　　广播呼叫地址（0x00） ：向所有设备发送命令(如复位)，设备可选择响应或忽略。

　　保留地址段：

　　0000XXX：特定功能(如系统管理)

　　1111XXX：高速模式或10位寻址。

　　四、工作模式与性能

模式	速率	特性
标准模式	100 kbit/s	基础模式，支持7位寻址。
快速模式	400 kbit/s	向下兼容标准模式，需更严格时序控制。
高速模式	3.4 Mbit/s	需专用I/O缓冲器，时钟线启用主动上拉。
超高速模式	5 Mbit/s	部分新设备支持，非通用。