一文看懂I2C协议

作者：王超
首发：电子电路开发学习

I2C协议详解

电子行业最常用的3种串行通讯协议：UART、SPI和I2C。前面介绍了串口通讯协议及其FPGA实现，SPI协议。本篇文章介绍I2C通讯协议及其FPGA实测波形。文末有【官方标准文档下载方法】。

有哪些内容

I2C是什么
5种速率
4种信号
读写时序
7位和10位地址
I2C保留字节
FPGA实测I2C波形
SPI和I2C的对比

I2C是什么

在消费电子，工业电子等领域，会使用各种类型的芯片，如微控制器，电源管理，显示驱动，传感器，存储器，转换器等，他们有着不同的功能，有时需要快速的进行数据的交互，为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通，于是I2C诞生了，I2C(_Inter－Integrated Circuit_)是一种通用的总线协议。它是由Philips(飞利浦)公司，现NXP(恩智浦)半导体开发的一种简单的双向两线制总线协议标准。

对于硬件设计人员来说，只需要2个管脚，极少的连接线和面积，就可以实现芯片间的通讯，对于软件开发者来说，可以使用同一个I2C驱动库，来实现实现不同器件的驱动，大大减少了软件的开发时间。极低的工作电流，降低了系统的功耗，完善的应答机制大大增强通讯的可靠性。

5种速率

I2C协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。

标准模式(Standard)：100kbps
快速模式(Fast)：400kbps
快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
高速模式(High-speed)：3.4Mbps
超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（单向传输）

【bps：bit/s，即SCL的频率】

其中超快模式是单向数据传输，通常用于LED、LCD等不需要应答的器件，和正常的I2C操作时序类似，但是只进行写数据，不需要考虑ACK应答信号。

在I2C协议的官方文档NXP\_UM10204\_I2C-bus specification and user manual\_Rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章节分别进行介绍。

4种信号

I2C协议最基础的几种信号：起始、停止、应答和非应答信号。

起始信号

I2C协议规定，SCL处于高电平时，SDA由高到低变化，这种信号是起始信号。

停止信号

I2C协议规定，SCL处于高电平，SDA由低到高变化，这种信号是停止信号。

数据有效性

I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。

应答信号

I2C最大的一个特点就是有完善的应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“我收到了”。

应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

使用MCU、FPGA等控制器实现时，需要在第9个SCL时钟周期把SDA设置为高阻输入状态，如果读取到SDA为低电平，则表示数据被成功接收到，可以进行下一步操作。

非应答信号

当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号。

非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：

I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备
从机正在执行一些操作，处于忙状态，还没有准备好与主机通讯
主机发送的一些控制命令，从机不支持
主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了

读写时序

向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：

从指定寄存器地址读取数据操作时序：

注意，读数据时有两次起始信号。

7位和10位地址

大多数I2C器件支持7位地址模式，有一些器件还支持10位地址，而且两种类型的器件可以连接在同一个I2C总线上，目前10位地址的器件还没有被广泛使用。

主机发送，从机接收。使用10位地址进行写时序：

主机接收，从机发送。使用10位地址进行读时序：

I2C保留字节

I2C读写时起始位之后的第一个字节，除了厂商指定的设备地址外，还有一些保留字节，主要有两组0000 xxx和1111 xxx，保留字节的含义：

上述的10位地址模式，就是使用到了最后一种保留字节。

第一种广播模式，可以通过写入第二个字节06h来复位I2C总线上所有的从机器件。具体操作时序可以查看文档NXP\_UM10204\_I2C-bus specification and user manual\_Rev.6：3.1.12 Reserved addresses章节有详细介绍。其中device ID控制字（1111 1xx1），可以读取I2C器件内部的24位器件ID，通过对照NXP I2C协议器件列表可以查询到器件所属的厂商和型号。

设备ID与器件厂商对应表

FPGA实测I2C波形

FPGA实现UART、SPI、I2C等串行时序，最常用的实现方式就是状态机大法，将各个步骤分解为各个状态，然后根据不同的状态去控制输出或读取输入，细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转，不能进入死循环，或卡死在某一个状态。

I2C控制状态机状态定义：

//general
S0_IDLE       = 0,
S1_START1     = 1,
S2_CTRL_BYTE1 = 2,
S3_ACK1       = 3,
S4_ADDR       = 4,
S5_ACK2       = 5,

//write: 0-1-2-3-4-5->6-7-13-14
S6W_DATA      = 6,
S7W_ACK3      = 7,

//read: 0-1-2-3-4-5->8-9-10-11-12-13-14
S8R_START2     = 8,
S9R_CTRL_BYTE2 = 9,
S10R_ACK3      = 10,
S11R_DATA      = 11,
S12R_NACK      = 12,

//general
S13_STOP       = 13,
S14_DONE       = 14,
S15_ERR        = 15;

注意SDA双向端口的方向控制。

output eeprom_scl,
inout eeprom_sda,

localparam DIR_IN  = 1'b0;
localparam DIR_OUT = !DIR_IN;

reg dir;
reg i2c_sda;
reg i2c_scl;

assign eeprom_scl = i2c_scl;
assign eeprom_sda = (dir == DIR_OUT) ? i2c_sda : 1'bz;

wire sda_in = eeprom_sda;

SDA应该在第9个SCL时钟周期设置为输入状态：

下图的波形是使用Xilinx FPGA对AT24C1024的驱动，使用片上逻辑分析仪ChipScope抓取的实际波形，AT24C1024B存储空间为1024K Bit = 131072 Byte，存储单元地址位宽为17位。

AT24C1024B写时序：

AT24C1024B读时序：

SPI和I2C的对比

I2C是半双工，SPI是全双工。
I2C支持多主多从模式，而SPI只能有一个主机。
从GPIO占用上来看，I2C占用更少的GPIO，更节省资源。
I2C有应答响应机制，数据可靠性更高，SPI没有应答机制。
I2C速率不会太高，最高速率3.4Mbps，SPI可以达到很高的速率。
I2C通过器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致GPIO的增加，而SPI通过CS选择从机，每增加一个从机就要多占用一个GPIO。
SPI协议在SCLK边沿进行数据采样，I2C在SCL高电平器件进行数据采样。
两者大多都应用于板内器件短距离通讯。

官方标准文档下载

目前网上比较详细的介绍I2C文档主要有以下3个：

1. I2C官方标准文档\_UM10204

I2C的官方文档是原飞利浦(Philips)半导体事业部，现恩智浦(NXP)半导体发布的UM10204文档，全文共64页，是目前最权威最详细的I2C协议介绍文章，最新版本Rev. 6发布于20140404，UM10204\_4 April 2014: I2C-bus specification and user manual\_Rev.6