I2C 总线精要

2026年1月8日 (四) 17:46的最后版本

[编辑] 1 概述

由 Philips (现 NXP) 于 80 年代开发，是一种很可靠的低速外设总线，广泛应用于 PC 和嵌入式系统：各种 I2C 接口的传感器、OLED 显示屏、SMBus (System Management Bus, )、PMBus (Power Management Bus)、IPMI (Intelligent Platform Management Interface)、DDC (Display Data Channel)、ATCA (Advanced Telecom Computing Architecture)......

两根线： SCL 和 SDA，皆拉高 (pull-up) 时为总线空闲态

SCL : Serial Clock Line, holds Clock signal
SDA : Serial Data Line, holds Data or address signal
IO must be open drain (or open collector in TTL)

空闲态、起始信号、停止信号、重复起始信号：

空闲态：SCL SDA 皆为高
起始位：空闲态下，SDA 拉低
停止位：SCL 为高后（SCL 一个上升延后，维持高不变），SDA 出现由低拉高
重复起始：当两个起始信号之间没有停止信号时，即产生了重复起始信号。主机采用这种方法与另一个从机或相同的从机以不同传输方向进行通信（例如：从写入设备到从设备读出）而不释放总线。

数据传输：

数据传输过程中，一个 SCL 时钟脉冲传输一个数据位，从机在 SCL 时钟的上升沿后获取 SDA 的数据（在 SCL 时钟为高时，SDA 必须是 stable 的，除非 Start/Stop condition）
即 SDA 线只能在 SCL 时钟下降沿后（为低时）才可以改变
当起始信号产生后，主机立即传输数据的第一字节：7 位从机地址 + 读写位，读写位控制从机的数据传输方向 (0: w; 1: r）。被主机寻址的从机会通过在 第 9 个 SCL 时钟周期将 SDA 置低 作为应答 (ACK)

7bit mode: 发送 7bit 的address (MSB) 及一位的 W(0) / R(1) 后，该 address 的 slave 端会发送一个 Ack (acknowledge) 位，ACK = 0 表设定成功，开始数据传送
每次传一个 byte ，都跟一个 ACK bit，由 Slave 端发送（把 SDA 拉 LOW），否则 Master 会认为 byte 写失败，发出 STOP 信号或是重新发送 START 信号
当主机作为接收器时，发生无响应信号 (NACK)，从机释放 SDA 线，使主机产生停止信号或重复起始信号
在每个 byte 之间，Slave 端随时可以把 SCL 拉低来强制传输暂停

地址模式:

7bit 地址，保留 16 个，可用 112；标准模式 (100 Kbit/s)、低速模式 (10 Kbit/s)
10bit 地址；快速模式 (400 Kbit/s)、高速模式 (3.4 Mbit/s)

10bit mode:

用两个 byte 来传送 address。第一个 byte 的前五位需为 “1111 0” 来表示要使用 10-bit addressing

[编辑] 2 空闲态

总线空闲时，SCL SDA 两线皆为高电平

[编辑] 3 开始位

总线空闲态时（SDA，SCL 皆为高电平），SDA 上出现由高到低的信号（拉低 SDA）即为开始位

void i2c_start(void)
{
  SDA = 1;             // i2c start bit sequence
  SCL = 1;
  i2c_delay();

  SDA = 0;
  i2c_delay();

  SCL = 0;
  i2c_delay();
}

[编辑] 4 结束位

SCL 为高时（上升沿后），SDA 上出现由低到高的信号（ SDA 从 0 拉到 1）

void i2c_stop()
{
  SDA = 0;             // i2c stop bit sequence
  i2c_delay();
  SCL = 1;
  i2c_delay();
  SDA = 1;
  i2c_delay();
}

[编辑] 5 状态图

[编辑] 5.1 主发从收

开始位后，发 7 位地址，随后读写位为 0 (Write)
收到 slave 反馈的 ACK 位后，开始写字节
每写一个字节，需要收到 slave 反馈的 ACK (SDA = 0) 后才开始下一个字节传输，否则传输中止，抛出出错异常
写完所有字节，则发送 Stop condition，Slave 收到 Stop condition 后，才会中止数据接收。。。

[编辑] 5.2 主收从发

开始位后，发 7 位地址，随后读写位为 1 (Read)
收到 slave 反馈的 ACK 位后，立即开始读取数据 <------
每读一个字节，需要给一个 ACK (SDA = 0)，如果是最后一个字节，则需给一个 NACK (SDA = 1)

[编辑] 6 实例

Touch the head, send i2c data (No other device):

Write 0x00 (no ack)
Write 0x28 (no ack) 0x44 (no ack)
Write 0x28 (no ack) 0x44 (no ack)

Send i2c data (with pm2.5 sensor):

 0x00 0x12 0x1E 0x03 0x02 0x00 0x00 0x1A

第一个字节 0x00 是目标传感部件环灯广播地址，改为 0x60 就只点亮 PM2.5 的环灯 (i2c addr = 0x30)， 0x50 就只点亮甲醛传感部件上的环灯 (i2c addr = 0x28)

[编辑] 7 版本

The history of I²C specification releases:

In 1982, the original 100 kHz I²C system was created as a simple internal bus system for building control electronics with various Philips chips.
In 1992, Version 1 added 400 kHz Fast-mode (Fm) and a 10-bit addressing mode to increase capacity to 1008 nodes. This was the first standardized version.
In 1998, Version 2 added 3.4 MHz High-speed mode (Hs) with power-saving requirements for electric voltage and current.
In 2000, Version 2.1 clarified version 2, without significant functional changes.
In 2007, Version 3 added 1 MHz Fast-mode plus (Fm+) (using 20 mA drivers), and a device ID mechanism.
In 2012, Version 4 added 5 MHz Ultra Fast-mode (UFm) for new USDA (data) and USCL (clock) lines using push-pull logic without pull-up resistors, and added an assigned manufacturer ID table. It is only a unidirectional bus.
In 2012, Version 5 corrected mistakes.
In 2014, Version 6 corrected two graphs. This is the most recent standard

[编辑] 8 软件模拟

To initialize the ports set the output resisters to 0 and the tristate registers to 1 which disables the outputs and allows them to be pulled high by the resistors.

The following 4 functions provide the primitive start, stop, read and write sequences. All I2C transactions can be built up from these.


#define I2C_DELAY			4		/* us delay */
#define I2C_MAXWAIT			5000

#define TWI_SDA		11		/* PIN14_PD7 */
#define TWI_SCL		16		/* PIN21_PF2 */

#define SDA_LOW()		digitalWrite(TWI_SDA, LOW)
#define SDA_HIGH() 		digitalWrite(TWI_SDA, HIGH)
#define SCL_LOW()		digitalWrite(TWI_SCL, LOW)
#define SCL_HIGH()		digitalWrite(TWI_SCL, HIGH)

#define SDA_READ()		digitalRead(TWI_SDA)
#define SCL_READ()		digitalRead(TWI_SCL)

#define i2c_delay()		delayMicroseconds(4)

void i2c_start(void)
{
	SDA_HIGH();		// i2c start bit sequence
	i2c_delay();

	SCL_HIGH();
	i2c_delay();

	SDA_LOW();
	i2c_delay();

	SCL_LOW();
	i2c_delay();
}

void i2c_stop(void)
{
	SDA_LOW();		// i2c stop bit sequence
	i2c_delay();

	SCL_HIGH();
	i2c_delay();

	SDA_HIGH();
	i2c_delay();
}

uint8_t i2c_rx(uint8_t ack)
{
	uint8_t x, d = 0;

	SDA_HIGH();

	for (x = 0; x < 8; x++) {

		d <<= 1;

		do {
			SCL_HIGH();
		} while (SCL_IN == 0);	// wait for any SCL clock stretching

		i2c_delay();

		if (SDA_READ())
			d |= 1;
		SCL_LOW();
	}

	if (ack)
		SDA_LOW();
	else
		SDA_HIGH();

	SCL_HIGH();
	i2c_delay();		// send (N)ACK bit
	SCL_LOW();
	SDA_HIGH();

	return d;
}

uint8_t i2c_tx(unsigned uint8_t d)
{
	uint8_t x;
	static uint8_t b;

	for (x = 8; x; x--) {
		if (d & 0x80)
			SDA_HIGH();
		else
			SDA_LOW();
		SCL_HIGH();
		d <<= 1;
		SCL_LOW();
	}

	SDA_HIGH();
	SCL_HIGH();

	i2c_delay();

	b = SDA_READ();		// possible ACK bit

	SCL_LOW();
	return b;
}

使用示例：

The 4 primitive functions above can easily be put together to form complete I2C transactions. Here's and example to start an SRF08 ranging in cm:

i2c_start();              // send start sequence
i2c_tx(0xE0);             // SRF08 I2C address with R/W bit clear
i2c_tx(0x00);             // SRF08 command register address
i2c_tx(0x51);             // command to start ranging in cm
i2c_stop();               // send stop sequence

Now after waiting 65mS for the ranging to complete (I've left that to you) the following example shows how to read the light sensor value from register 1 and the range result from registers 2 & 3.

i2c_start();              // send start sequence
i2c_tx(0xE0);             // SRF08 I2C address with R/W bit clear
i2c_tx(0x01);             // SRF08 light sensor register address
i2c_start();              // send a restart sequence
i2c_tx(0xE1);             // SRF08 I2C address with R/W bit set
lightsensor = i2c_rx(1);  // get light sensor and send acknowledge. Internal register address will increment automatically.
rangehigh = i2c_rx(1);    // get the high byte of the range and send acknowledge.
rangelow = i2c_rx(0);     // get low byte of the range - note we don't acknowledge the last byte.
i2c_stop();               // send stop sequence

[编辑] 9 传输距离

I2C 的总线长度，只要硬件参数合适，可以做到 5~8 米，如何延长 I2C 通信线缆长度，以下几条经验可以参考：

（1）实验测试中，我们发现，在通信正常的情况下，I2C 总线的上拉电阻与线缆长度是有比例关系的：

通信线缆越长，上拉电阻要越小。而通信线缆越短，上拉电阻要越大。比如：

① 通信线缆小于 0.2 米，一般可以采用 10K 的上拉电阻，这个也是很多I2C芯片的说明书中推荐的上拉电阻。

② 通信线缆在 0.2 到 2 米之间，一般可以采用 4.7K 上拉电阻。

③ 通信线缆在 2 米以上，一般可以采用 1~2.2K 上拉电阻。

上拉电阻的范围一般在 1K~10k 之间，之所以有这个范围，可以简单的认为，电阻过小，功耗比较大，而且容易烧毁 I2C 接口，而电阻过大，会影响信号的上升沿时间，也就是影响到了时钟频率，会出现误码。

（2）远距离通信时，尽量使用屏蔽线缆，这个确实是有用的，能够很好的抗干扰。

（3）如果不考虑成本，可以采用 I2C 总线中继芯片，如 P82B715、P82B96 等，这些中继芯片的基本原理是，将 I2C 总线接口转为差分信号，所以主机和从机之间，需要一对芯片，这样主机和从机之间是差分信号传输，也就克服了 I2C 总线的线缆长度限制了。一对芯片约 30元。

（4）通信速率，在各种通信中，有一个共同的规律，通信速率与误码率成正比，通信速率越低，误码率也越低，所以我们在与 I2C 设备通信的时候，尤其是距离比较远的，可以考虑降低通信速率。