一、引言

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線協(xié)議，即集成電路總線協(xié)議，是一種用于連接微控制器及其外圍設(shè)備的串行總線協(xié)議。I2C總線以其簡(jiǎn)單的兩線制連接、高可靠性、高集成度和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹I2C總線協(xié)議的工作原理和尋址格式，幫助讀者深入理解該協(xié)議。

二、I2C總線協(xié)議的工作原理

I2C總線協(xié)議的工作原理主要涉及兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)傳輸方式和系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)傳輸方式

I2C總線通過(guò)兩根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：一根是數(shù)據(jù)線SDA（Serial Data Line），另一根是時(shí)鐘線SCL（Serial Clock Line）。SDA線用于傳輸數(shù)據(jù)，而SCL線則用于同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)。在I2C總線系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用主從模式，即一個(gè)主設(shè)備（通常是微控制器）與多個(gè)從設(shè)備（如傳感器、存儲(chǔ)器等）進(jìn)行通信。

（1）起始信號(hào)與停止信號(hào)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗己屯Ｖ褂芍髟O(shè)備控制。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高到低的跳變表示起始信號(hào)；而當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由低到高的跳變表示停止信號(hào)。起始信號(hào)和停止信號(hào)都是電平跳變時(shí)序信號(hào)，用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束。

（2）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

在起始信號(hào)后，主設(shè)備開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，主設(shè)備將數(shù)據(jù)放在SDA線上，而從設(shè)備則根據(jù)SCL線的狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定；當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)可以發(fā)生變化。通過(guò)這種方式，主設(shè)備和從設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串行傳輸。

（3）應(yīng)答信號(hào)（ACK）

在I2C總線協(xié)議中，每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸后都會(huì)跟隨一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）。應(yīng)答信號(hào)由從設(shè)備發(fā)送，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)已成功接收。當(dāng)從設(shè)備成功接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)在時(shí)鐘周期的第九個(gè)周期（SCL的第9個(gè)高電平）將SDA線拉低以發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；若從設(shè)備未能成功接收數(shù)據(jù)，則不會(huì)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，此時(shí)SDA線將保持高電平。

系統(tǒng)組成

I2C總線系統(tǒng)由主設(shè)備和從設(shè)備組成。主設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)總線傳輸數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)以同步數(shù)據(jù)傳輸；而從設(shè)備則根據(jù)主設(shè)備的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。每個(gè)從設(shè)備在I2C總線上都有一個(gè)唯一的地址碼，用于標(biāo)識(shí)和尋址。

三、I2C總線協(xié)議的尋址格式

I2C總線協(xié)議的尋址格式主要有兩種：7位地址模式和10位地址模式。

7位地址模式

在7位地址模式下，I2C總線允許最多128個(gè)設(shè)備連接。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的7位地址碼用于尋址和識(shí)別。尋址過(guò)程中，主設(shè)備首先發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)，然后發(fā)送一個(gè)包含設(shè)備地址和讀/寫(xiě)位的字節(jié)。設(shè)備地址占據(jù)了字節(jié)的高7位，而讀/寫(xiě)位占據(jù)了最低有效位。當(dāng)某個(gè)設(shè)備的地址與發(fā)送的地址匹配時(shí)，該設(shè)備將發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)以確認(rèn)其存在。

10位地址模式

當(dāng)需要連接的設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，7位地址模式可能無(wú)法滿(mǎn)足需求。此時(shí)，可以使用10位地址模式。10位地址模式可以連接最多1024個(gè)設(shè)備。與7位地址模式相比，10位地址模式的尋址過(guò)程稍有不同。主設(shè)備首先發(fā)送一個(gè)起始信號(hào)，然后發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。第一個(gè)字節(jié)包含了設(shè)備地址的高7位和一個(gè)保留位（通常為1），第二個(gè)字節(jié)包含了設(shè)備地址的低3位和讀/寫(xiě)位。設(shè)備在接收到這兩個(gè)字節(jié)后，進(jìn)行地址比較并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)以確認(rèn)其存在。

四、總結(jié)

I2C總線協(xié)議以其簡(jiǎn)單的兩線制連接、高可靠性、高集成度和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了I2C總線協(xié)議的工作原理和尋址格式，希望能夠幫助讀者深入理解該協(xié)議并更好地應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。