特点

1. 两线制总线：I2C仅使用两条线——串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）进行通信，有效降低了连接复杂性。
2. 多主多从设备支持：I2C支持多个主设备和多个从设备连接到同一总线上。每个设备都有唯一的地址。
3. 可变的时钟速率：I2C总线支持不同的速率模式，如标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（3.4Mbps）。
4. 同步通信：I2C是一种同步通信协议，数据传输由时钟信号（SCL）来控制。
5. 简单的连接：I2C通信对硬件的要求比较低，很容易在微控制器和外围设备间实现连接。
6. 地址分配：每个I2C设备都通过一个7位或10位的地址来识别，这使得总线上可以连接多个设备。
7. 阻塞传输：I2C支持阻塞传输机制，即主设备可以在传输过程中控制总线，防止其他设备发送数据。
8. 应用广泛：由于其简单和灵活性，I2C被广泛应用于各种电子产品中，如传感器、LCD显示器、EEPROM等。
9. 总线仲裁和冲突检测：在多主模式下，I2C能够处理多个主设备同时尝试控制总线的情况。
10. 低功耗：I2C总线的设计使其成为低功耗的通信方式，适用于电池供电的设备。

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：

1. I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备
2. 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
3. 主机发送的一些控制命令，从机不支持
4. 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。

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。