【嵌入式必备】深入理解 I2C 总线通信协议：时序图解与读写流程详解

一、I2C 总线简介与核心特性I2CInter-Integrated Circuit是一种由 NXP原 Philips公司开发的半双工、同步串行通信总线。它只需两根传输线即可实现主控芯片与多个从机设备之间的数据通信。1. 物理引脚说明SCLSerial Clock Line串行时钟线由主机Master统一提供时钟脉冲。SDASerial Data Line串行数据线用于主机与从机之间传输数据。2. 核心特性1.高位先行MSB First数据传输时最高有效位MSB最先被发送例如 0xAC-1010 1100。2.寻址机制起始信号后的第一个字节为设备地址7 位从机地址 1 位数据流向位。7 位地址理论上最多支持128个地址除去保留地址可挂载 127 个设备。1 位数据流向位0 表示写主机-从机1 表示读从机 -主机。3.通信速率分类标准模式Standard Mode最高 100 kHz快速模式Fast Mode最高 400 kHz高速/超高速模式1.x MHz、3.x MHz二、I2C 基础时序信号拆解1. 起始信号Start Signal与结束信号Stop Signal起始信号Start当 SCL 处于高电平时SDA 数据线出现一个下降沿由高变低。停止信号Stop当 SCL 处于高电平时SDA 数据线出现一个上升沿由低变高。SCL : ───────────┐ ┌───────────└─────────┘SDA : ──────┐ ┌────────────────└─────────┘[ Start 信号 ] [ Stop 信号 ]2. 数据传输与有效性规则I2C 总线在传输数据时SCL 的电平状态决定了 SDA 是处于采样状态还是允许改变状态数据采样当 SCL 为高电平时SDA 数据线上的电平必须保持稳定此时接收方进行数据采样。数据切换当 SCL 为低电平时SDA 数据线上的电平才可以发生改变发送方在此阶段准备下一位数据。SCL : ┌──────┐ ┌──────┐────────┘ └───────┘ └──────SDA : ... ╳ Data ╳ Data ╳ Data ╳ ...[采样稳定] [允许改变]3. 应答信号ACK / NACK数据每传输完 1 个字节8 位后在第 9 个时钟周期接收方需要向发送方回复应答信号ACKAcknowledge有效应答第 9 个时钟周期时将 SDA 拉低低电平 0。NACKNot Acknowledge非应答第 9 个时钟周期时将 SDA 保持或释放为高电平高电平 1。三、I2C 核心读写时序详解1. I2C 写数据时序Write Sequence主机向从机指定的寄存器地址写入数据的完整过程如下1.主机发送起始信号Start。2.主机发送设备地址 写指令0x00 / 写位 0等待从机回复ACK。3.主机发送目标寄存器地址等待从机回复ACK。4.主机向从机发送待写入的数据字节等待从机回复ACK若发送多字节可重复此步骤。5.主机发送停止信号Stop结束通信。// I2CR #define IEN (7) #define MSTA (5) #define MTX (4) #define TXAK (3) #define RSTA (2) // I2SR #define ICF (7) #define IBB (5) #define IAL (4) #define IIF (1) void i2c_write(I2C_Type *base, unsigned char dev_address, unsigned char reg_address, const unsigned char *data, int len) { // 通信前 仲裁丢失标志位清零 中断标记位清零 base-I2SR ~((1 IIF) | (1 IAL)); // 通信前等待数据传输完毕 while ((base-I2SR (1 ICF)) 0); // 发送起始信号 base-I2CR | (1 MSTA); // 主机模式: 发送模式 base-I2CR | (1 MTX); // 后续监测从机ACK信号 base-I2CR ~(1 TXAK); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 发送设备地址 写位 base-I2DR dev_address 1; // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 发送寄存器地址 base-I2DR reg_address; // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); while (len--) { // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 发送数据 base-I2DR *data; // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); } // 发送停止信号 base-I2CR ~(1 MSTA); // 等待总线空闲 while ((base-I2SR (1 IBB)) ! 0) { delay_us(100); } }2. I2C 读数据时序Read Sequence由于读取数据前需要先告知从机“要读取哪个寄存器”因此 I2C 读时序通常包含一次伪写指定寄存器地址和一次真读1.主机发送起始信号Start。2.主机发送设备地址 写指令0x00 / 写位 0等待从机回复ACK。3.主机发送目标寄存器地址等待从机回复ACK。4.主机重新发送起始信号ReStart。5.主机发送设备地址 读指令0x01 / 读位 1等待从机回复ACK。6.从机开始向主机发送数据主机每接收一个字节回复一个 ACK。7.当主机接收完最后一个字节后向从机回复NACK告知从机停止发送。8.主机发送停止信号Stop结束通信。// I2CR #define IEN (7) #define MSTA (5) #define MTX (4) #define TXAK (3) #define RSTA (2) // I2SR #define ICF (7) #define IBB (5) #define IAL (4) #define IIF (1) void i2c_read(I2C_Type *base, unsigned char dev_address,unsigned char reg_address,unsigned char *data, int len) { // 通信前 仲裁丢失标志位清零 中断标记位清零 base-I2SR ~((1 IIF) | (1 IAL)); // 通信前等待数据传输完毕 while ((base-I2SR (1 ICF)) 0); // 发送起始信号 base-I2CR | (1 MSTA); // 主机模式: 发送模式 base-I2CR | (1 MTX); // 后续监测从机ACK信号 base-I2CR ~(1 TXAK); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 发送设备地址 写位 base-I2DR dev_address 1; // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 发送寄存器地址 base-I2DR reg_address; // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); //主机重发起始信号设备地址读位 base-I2CR | (1 MSTA); base-I2DR (dev_address 1) | (1 0); // 等待从机ACK while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); // 中断标记位清零 base-I2SR ~(1 IIF); // 切换为主机接收模式 base-I2CR ~(1 MTX); while (len--) { //主机接收最后一个数据后回复NACK if(len0) { base-I2CR | (1 TXAK); } else { base-I2CR ~(1 TXAK); } while ((base-I2SR (1 IIF)) 0); //读取数据 *database-I2DR; //主机回复ACK base-I2SR | (1 IIF); } // 发送停止信号 base-I2CR ~(1 MSTA); // 等待总线空闲 while ((base-I2SR (1 IBB)) ! 0) { delay_us(100); } }四、总结操作类型起始位地址控制寄存器定位重复起始位数据流向结束条件I2C 写Start设备地址 0 (写)发送寄存器地址无主机从机最后一个字节后 StopI2C 读Start设备地址 0 (写)发送寄存器地址ReStart设备地址 1 (读)从机主机接收完后主机发 NACK Stop在实际开发中例如基于 STM32 的软件模拟 I2C 或硬件 I2C 库驱动牢记SCL 高电平采样、低电平切换以及第 9 位 ACK/NACK 交互是排查时序问题的关键所在。