3.23. I2C 基礎

I2C（Inter-Integrated Circuit，唸作「I-squared-C」或「I-two-C」）是一種雙線串列匯流排，專為同一塊板上晶片間的短距離連結而設計。它在優先順序上介於 SPI 與 UART 之間：比 SPI 慢，但更節省接腳，而且具有定址能力（同樣兩條線上可掛多個裝置），不像 SPI 每個裝置都需要一條專屬的 CS 線。

I2C 是低速率感測器的首選匯流排——加速度計、溫度感測器、濕度感測器、磁力計、即時時鐘、EEPROM——這類應用中，節省接腳與降低匯流排複雜度比原始吞吐量更重要。

3.23.1. 兩條線、皆為開汲極

一條 I2C 匯流排只有兩個訊號：

• SCL（串列時脈）。（多數時候）由控制器驅動。

• SDA（串列資料）。由當下正在說話的裝置驅動——位址與外送資料期間是控制器，讀取與 ACK 位元期間是周邊裝置。

兩條線皆為開汲極：匯流排上的每個裝置都能把線拉低到接地，但永遠不會主動把線驅動為高。匯流排上的兩個上拉電阻（通常為接往供電軌的 2.2 kΩ 到 10 kΩ）會在沒有人拉低時把線拉高。線及邏輯（wired-OR）行為由此而生——任何把線拉低的裝置即勝出，而高電位狀態僅代表「沒有人在說話」。

MCU 在其 SCL 與 SDA 接腳上的內部上拉通常不足以單獨充當匯流排上拉；正常情況下需要在匯流排上加裝外部電阻。許多感測器轉接板已內含這些電阻；在加裝更多之前請先查閱資料手冊。

3.23.2. 交易（transaction）

每一次 I2C 交易都遵循相同的形態：

一次 I2C 交易：START、7 位元位址 + R/W、ACK、暫存器、ACK、資料、NACK、STOP。

整個交換逐位元展開：

• START。 控制器在 SCL 仍為高時把 SDA 拉低。這個不尋常的邊緣告訴匯流排上的每個裝置：一次交易即將開始。

• 位址 + R/W。 控制器送出一個 7 位元周邊位址，後接一個讀/寫位元（0 表示寫入、1 表示讀取）。

• ACK / NACK。 每個位元組之後，接收方會在一個時脈期間驅動 SDA 以表示 ACK（低）或 NACK（高）。對位址位元組而言，周邊裝置若辨識出自己的位址便會回應 ACK；若沒有裝置回應 ACK，控制器看到 NACK，便知道該位址不在匯流排上。

• 資料位元組。 每一個之後都跟著來自接收方的一個 ACK。寫入時，周邊裝置對每個位元組回應 ACK；讀取時，控制器對每個它還想要的位元組回應 ACK，並對最後一個位元組回應 NACK，以告知周邊裝置停止。

• STOP。 控制器在 SCL 為高時釋放 SDA 使其為高，結束這次交易。

重複起始（repeated start）是指在中途不發出 STOP 的情況下發出第二個 START——控制器在不放棄匯流排的前提下，於同一個周邊裝置上切換方向（先寫位址、再讀位址）。

3.23.3. 定址

7 位元位址空間涵蓋 0x08 到 0x77；兩端的數值保留作特殊用途。每個裝置的位址由晶片設計者設定；許多元件允許在板級層面變更低位元中的幾個位元（藉由把某接腳接高或接低），如此一來兩顆相同的感測器便能掛在同一條匯流排上。

若兩個裝置共用同一位址，就無法在不互相干擾的情況下與其中之一通訊，因此配對元件前請先查閱資料手冊。i2c.scan()（於 以程式碼操作 I2C 中說明）會遍歷位址空間並回報哪些位址有回應，這是查明匯流排上有什麼的標準做法。

3.23.4. 優點與缺點

這條匯流排的優缺點界定了它的定位：

• 兩支接腳掛許多裝置。 單一組 SCL/SDA 即可承載十幾個感測器。SPI 則需要每個裝置額外一支 CS 接腳。

• 標準速度。 100 kHz（「標準模式」）與 400 kHz（「快速模式」）幾乎涵蓋每一種感測器。1 MHz 可達，但開始對匯流排電容與上拉電阻的取值提出更高要求。

• 相對於 SPI 較慢。 任何傳輸超過每秒數百千位元的應用都會改用 SPI。

• 位址衝突。 同一條匯流排上有兩個位址相同的裝置，是這個協定無法迴避的硬體錯誤。