I2C 概览
I2C 概览
I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间总线）由 Philips 公司于 1982 年推出，是一种两线制、同步、半双工的串行总线协议，用于连接同一块电路板上的多个低速外设。
为什么需要 I2C
- 引脚极少：无论挂多少个设备，都只占 2 根线（SDA 数据 + SCL 时钟），对引脚紧张的 MCU/FPGA 非常友好；
- 总线共享：多个设备挂在同一条总线上，通过器件地址寻址，不需要为每个外设单独接线；
- 多主多从：支持多个主机，配合仲裁机制可安全共存。
基本特点
- 两线制：SDA（串行数据线）+ SCL（串行时钟线）
- 同步通信：时钟由主机产生，数据与时钟同步
- 半双工：数据在同一根线上双向传输，同一时刻只能一个方向
- 寻址机制：每个设备有独立的器件地址（7 位或 10 位）
- 开漏 + 上拉：总线电平靠上拉电阻提供，天然支持”线与”与多主机仲裁
- 带应答（ACK）：每传输一个字节，接收方回一个 ACK 位，传输可靠性比 SPI 高
传输速率
| 模式 | 速率 | 说明 |
|---|---|---|
| 标准模式（Standard） | 100 kbit/s | 最常用，兼容性最好 |
| 快速模式（Fast） | 400 kbit/s | 大多数现代器件支持 |
| 快速模式+（Fast Plus） | 1 Mbit/s | 较少见 |
| 高速模式（High-speed） | 3.4 Mbit/s | 需额外电流源，很少用 |
总线拓扑
graph LR
VCC[VCC]
M[主机 Master]
S1[从机1 EEPROM]
S2[从机2 温度传感器]
S3[从机3 摄像头]
Rp1[上拉电阻 Rp]
Rp2[上拉电阻 Rp]
VCC --- Rp1 --- SDA[SDA 总线]
VCC --- Rp2 --- SCL[SCL 总线]
M --- SDA
M --- SCL
S1 --- SDA
S1 --- SCL
S2 --- SDA
S2 --- SCL
S3 --- SDA
S3 --- SCL
📌 待补图：I2C 总线硬件连接原理图（多从机 + 上拉电阻选值）
- 上拉电阻：所有设备空闲时输出高阻，总线靠 Rp 拉高；Rp 取值需在速率与总线电容（<400pF）之间权衡，常用 4.7kΩ（100k）~ 1kΩ（400k）；
- 总线电容：挂载设备越多、走线越长，总线电容越大，上升沿越缓，最高速率越低。
三协议对比（UART / SPI / I2C）
| UART | SPI | I2C | |
|---|---|---|---|
| 线数 | 2（TX/RX） | 4（SCK/MOSI/MISO/CS） | 2（SDA/SCL） |
| 同步方式 | 异步（约定波特率） | 同步 | 同步 |
| 双工 | 全双工 | 全双工 | 半双工 |
| 寻址 | 无（点对点） | 片选 CS | 器件地址 |
| 速率 | 低（≤几 Mbit/s） | 高（几十 MHz） | 中（≤3.4 Mbit/s） |
| 应答机制 | 无 | 无 | 有（ACK） |
| 典型用途 | 调试口、GPS、蓝牙 | Flash、ADC、LCD | EEPROM、传感器、RTC |