0，引言

在上一篇文章我们讲解了《I2C从入门到精通之二：I2C设备的硬件架构》，今天我们继续接着介绍I2C信号的特性和操作。

所有I2C主题的文章都会收录在《深入浅出聊I2C》合集里，欢迎评阅。通过这个专集的阅读，你将成为I2C专家。

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上如是I2C学习资料和标准（pdf格式），需要下载的朋友，请关注本微信公众号“硬件工程师宝典”，在对话框内回复“I2C”，将获取标准下载链接。其中“I2C_Spec_Rev7_2021_UM10204.pdf”这份文件是最新的I2C specification, 希望大家重点阅读。

一、 I2C设备输入缓冲器特点

1.1 用于双向通信的开漏电路

开漏是指一种输出类型，它可以将总线拉低到某个电压（在大多数情况下是接地），或者“释放”总线并让它被上拉电阻拉高。在主设备或从设备释放总线的情况下，信号线上的上拉电阻（RPU）负责将总线电压拉高到power rail。由于没有设备可以强制将信号线路拉到高电平，这意味着总线永远不会遇到通信问题，即一个设备可能尝试传输高电平，而另一个设备传输低电平，导致短路（power rail到地）。I2C要求，在多主设备环境中，如果一个主设备传输高电平，但发现线路为低电平（另一个设备正在将其拉低），则停止通信，因为另一个设备正在使用总线。推挽式接口不允许这种模式，这是I2C的一个优点。

图2. SDA/SCL线路基本内部结构

图2显示了SDA/SCL线上从设备或主设备内部结构的简化视图，包括一个用于读取输入数据的缓冲器和一个用于传输数据的下拉FET。设备只能将总线信号线拉低（提供对地的短路）或释放总线信号线（对地高阻抗）并允许上拉电阻拉到高电压。在处理I2C设备时，这是一个重要的概念，因为没有设备可以保持总线为高电平。正是这个特性允许双向通信发生。

要设置 SDA 或 SCL 线的电压水平，需将 NMOS 设为开启或关闭状态。

1.2 开漏拉低

如前一节所述，开漏设置只能将总线拉低，或“释放”它并让上来电阻将其拉高。当 NMOS 开启时，该设备会通过电阻将电流拉至地端。这会使开漏输出线电平降低。通常，I2C 从高电平到低电平的转换是一个快速转换，因为 NMOS 会向下拉低 SDA 或 SCL 线。转换的速度取决于 NMOS 的驱动强度以及 SDA 或 SCL 线上的任何总线电容。

图3显示了将总线拉低时的电流流向。想要传输低电平的逻辑将激活下拉FET，这将提供对地的短路，从而将线路拉低。

图3. 使用开漏接口将总线拉低

1.3 开漏释放总线

当从设备或主设备希望传输逻辑高电平时，它只能通过关闭下拉FET来释放总线。这会使总线浮空，上拉电阻会将电压拉高到power rail，这将被解释为高电平。当 NMOS 关闭时，该设备停止拉电流，并且上拉电阻将 SDA 或 SCL 线拉至 VDD。图4 展示了 NMOS 关闭时的开漏输出线。上拉电阻将该线拉高。开漏输出线的转换速度较慢，因为该线是与总线电容对抗而被拉高的，并且不是被主动驱动的。

图4显示了电流通过上拉电阻的流向，上拉电阻将总线拉高。

图4. 使用开漏接口释放总线

二、 I2C通用操作

I2C总线是一种标准的双向接口，使用一个控制器（称为主设备）与从设备进行通信。从设备不能主动传输数据，除非它已被主设备寻址。I2C总线上的每个设备都有一个特定的设备地址，以区分同一I2C总线上的其他设备。许多从设备在启动时需要配置以设置设备的行为。这通常在主设备访问从设备的内部寄存器映射时完成，这些寄存器映射具有唯一的寄存器地址。一个设备可以有一个或多个存储、写入或读取数据的寄存器。

物理I2C接口由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成。SDA和SCL线都必须通过上拉电阻连接到VCC。上拉电阻的大小由I2C线上的电容决定（有关I2C上拉电阻计算，会在后面章节中讲解）。数据传输只能在总线空闲时启动。如果SDA和SCL线在STOP条件后都为高电平，则认为总线空闲。

主设备访问从设备的通用过程如下：

1. 假设主设备想要向从设备发送数据：

• 主发送器发送一个START条件并寻址从接收器

• 主发送器向从接收器发送数据

• 主发送器以STOP条件终止传输

2. 如果主设备想要从从设备接收/读取数据：

• 主接收器发送一个START条件并寻址从发送器

• 主接收器向从发送器发送请求读取的寄存器

• 主接收器从从发送器接收数据

• 主接收器以STOP条件终止传输

3  START和STOP条件

与该设备的I2C通信由主设备发送START条件启动，并由主设备发送STOP条件终止。当SCL为高电平时，SDA线上的高到低转换定义为START条件。当SCL为高电平时，SDA线上的低到高转换定义为STOP条件。

图5. START和STOP条件示例

4  重复START条件

重复START条件类似于START条件，用于替代连续的STOP然后START条件。它看起来与START条件相同，但与START条件不同，因为它发生在STOP条件之前（当总线不空闲时）。这对于主设备希望开始新的通信，但又不希望通过STOP条件让总线空闲，从而可能在多主设备环境中失去对总线的控制时非常有用。

5  数据有效性和字节格式

在SCL的每个时钟脉冲期间传输一个数据位。一个字节由SDA线上的八位组成。一个字节可以是设备地址、寄存器地址，或者写入或读取从设备的数据。数据以最高有效位（MSB）优先传输。在START和STOP条件之间，主设备可以向从设备传输任意数量的数据字节。当SCL为高电平时，SDA线上的数据必须保持稳定，因为当SCL为高电平时数据线上的变化被解释为控制命令（START或STOP）。

图6. 单字节数据传输示例

6 应答 (ACK) 和非应答 (NACK)

每个数据字节（包括地址字节）之后都跟着接收器发出的一个ACK位。ACK位允许接收器向发送器通信，表明字节已成功接收，并且可以发送另一个字节。

在接收器发送ACK之前，发送器必须释放SDA线。为了发送ACK位，接收器应在ACK/NACK相关时钟周期（周期9）的低电平阶段将SDA线拉低，以便在ACK/NACK相关时钟周期的高电平阶段SDA线保持稳定低电平。必须考虑建立和保持时间。

当SDA线在ACK/NACK相关时钟周期内保持高电平时，这被解释为NACK。导致生成NACK的几种情况：

1）接收器无法接收或传输，因为它正在执行某些实时功能，尚未准备好与主设备开始通信。

2）在传输过程中，接收器收到它不理解的数据或命令。

3）在传输过程中，接收器无法再接收更多数据字节。

4）主接收器已完成数据读取，并通过NACK向从设备指示。

图7. NACK波形示例

三， 抛砖引玉

这种简洁的硬件架构和连接方式使得I2C总线在各种嵌入式应用中非常受欢迎，因为它减少了引脚数量、布线复杂性，并降低了系统成本。

在接下来的文章中，我们将深入介绍I2C从设备的地址address。

敬请关注下一篇：《I2C从入门到精通之四：I2C从设备的地址address》

七，参考文献：

需要以下参考文献（I2C标准）的朋友，请关注本微信公众号“硬件工程师宝典”，在对话框内回复“I2C”，将获取标准下载连接。其中“I2C_Spec_Rev7_2021_UM10204.pdf”这份文件是最新的I2C specification, 希望大家重点阅读。

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