3.23. I2C 基础

I2C（Inter-Integrated Circuit，读作“I-squared-C”或“I-two-C”）是一种两线串行总线，专为同一块板上芯片之间的短距离连接而设计。它在优先级上介于 SPI 和 UART 之间：比 SPI 慢但更节省引脚，并且支持寻址（同一两根线上可挂多个设备），而 SPI 则需要为每个设备配一根专用的 CS 线。

I2C 是低速率传感器的首选总线——加速度计、温度传感器、湿度传感器、磁力计、实时时钟、EEPROM——在这些场合，节省引脚和降低总线复杂度比原始吞吐量更重要。

3.23.1. 两根线，皆为开漏

一条 I2C 总线只有两个信号：

• SCL（串行时钟）。（大多数时候）由控制器驱动。

• SDA（串行数据）。由当前正在发言的设备驱动——地址和发出数据期间由控制器驱动，读取和 ACK 位期间由外设驱动。

两条线都是开漏的：总线上的每个设备都可以把线拉低到地，但永远不会把它驱动到高电平。总线上的两个上拉电阻（通常为接到供电轨的 2.2 kΩ 到 10 kΩ）在无人拉低时把线拉高。线与（wired-OR）行为由此而来——任何把线拉低的设备都会取胜，而高电平状态只是表示“没有人在说话”。

MCU 在其 SCL 和 SDA 引脚上的内部上拉通常不够强，无法单独充当总线上拉；通常需要在总线上加外部电阻。许多传感器扩展板已经自带了它们；在添加更多之前请查阅数据手册。

3.23.2. 事务

每一次 I2C 事务都遵循相同的形态：

一次 I2C 事务：START、7 位地址 + R/W、ACK、寄存器、ACK、数据、NACK、STOP。

这次交换逐位展开：

• START。控制器在 SCL 仍为高时把 SDA 拉低。这个不寻常的边沿告知总线上的每个设备：一次事务即将开始。

• 地址 + R/W。控制器时钟输出一个 7 位外设地址，后跟一个读/写位（0 表示写，1 表示读）。

• ACK / NACK。在每个字节之后，接收方驱动 SDA 一个时钟周期以发出 ACK（低）或 NACK（高）。在地址字节上，外设若识别出自己的地址则发出 ACK；如果没有设备发出 ACK，控制器会看到 NACK，从而得知该地址不在总线上。

• 数据字节。每个字节之后都跟着接收方发出的 ACK。在写操作中，外设对每个字节发出 ACK；在读操作中，控制器对每个它还想要更多的字节发出 ACK，并对最后一个字节发出 NACK，以告诉外设停止。

• STOP。控制器在 SCL 为高时把 SDA 释放为高电平，结束事务。

重复起始（repeated start）是在中间不发 STOP 的情况下发出的第二个 START——控制器在同一外设上切换方向（写地址，然后读地址），而不放弃总线。

3.23.3. 寻址

7 位地址空间涵盖 0x08 至 0x77；两端的值保留作特殊用途。每个设备的地址由芯片设计者设定；许多器件允许在板级层面更改低位中的若干位（通过把某个引脚接高或接低），以便两个相同的传感器能挂在同一总线上。

如果两个设备共用一个地址，就无法在不受另一个干扰的情况下与其中之一通信，所以在搭配器件前请查阅数据手册。i2c.scan()（在 I2C 代码实践 中介绍）会遍历地址空间并报告哪些地址有响应，这是查清总线上有什么的标准方法。

3.23.4. 优点和缺点

该总线的优点和缺点决定了它的定位：

• 两个引脚连接多个设备。单对 SCL/SDA 就能承载十几个传感器。SPI 则需要为每个设备增加一根 CS 引脚。

• 标准速度。100 kHz（“标准模式”）和 400 kHz（“快速模式”）几乎覆盖所有传感器。1 MHz 是可达到的，但开始对总线电容和上拉取值提出更高要求。

• 相对 SPI 较慢。任何传输速率超过几百千比特每秒的应用都应改用 SPI。

• 地址冲突。同一总线上两个地址相同的设备是协议无法绕过的硬件错误。