I2C

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8月7日修改

在深入理解了 USART（通用同步/异步收发器）的底层原理后，我们现在转向另一种广泛使用的串行通信协议：I²C（Inter-Integrated Circuit，读作“I-squared-C”或“I-two-C”）。我们将从最底层的物理电平开始，一步步揭示 I²C 是如何从两个引脚上的高低电平演化为一套完整、可靠、多设备共存的通信协议的。同时，我们会剖析其底层寄存器操作和库函数实现，并与 USART 进行全面对比，涵盖物理层、电气特性、协议结构、主从机制、时钟同步、错误处理、软件实现等多个维度。​

第一章：从物理层开始 —— I²C 的电气基础

1.1 I²C 的物理连接

I²C 只需要两根线即可实现多设备通信：

•
SDA（Serial Data Line）：串行数据线，双向传输。​

•
SCL（Serial Clock Line）：串行时钟线，由主设备控制。​

所有设备都通过这两根线并联到总线上，形成一个总线型拓扑结构。​

 注意：I²C 是开漏（Open-Drain）或开集电极（Open-Collector） 输出，必须外接上拉电阻（Pull-up Resistor）到 VDD（如 3.3V 或 5V）。​

1.2 为什么是开漏 + 上拉？

•
开漏输出：MOSFET 只能将引脚拉低（接地），不能主动输出高电平。​

•
上拉电阻：在没有设备拉低时，将引脚“拉”到高电平。​

这样做的好处是：

•
线与（Wired-AND）逻辑：任何设备拉低，总线即为低电平。​

•
避免总线冲突：多个设备可以安全地共享总线，不会因同时输出高低电平而烧毁。​

电平状态：

•
低电平（0）：设备内部 MOSFET 导通，将 SDA/SCL 拉到 GND。​

•
高电平（1）：所有设备释放总线，上拉电阻将电压拉高。​

第二章：从电平到通信 —— I²C 协议的诞生

2.1 同步通信的本质

与 USART 的异步通信（无共享时钟）不同，I²C 是同步通信：SCL 提供时钟信号，SDA 在 SCL 的控制下传输数据。​

这意味着：

•
发送方和接收方共享同一个时钟源（SCL），无需事先约定波特率。​

•
数据在 SCL 的边沿被采样，在中间被稳定。​

2.2 通信的起点：起始条件（START Condition）

在空闲状态下，SDA 和 SCL 都为高电平。

如何告诉所有设备“我要开始通信了”？

答案：起始条件（START）：

当 SCL 为高电平时，SDA 从高电平变为低电平。

代码块

SCL: ──────┬─────────────​
           │​
SDA: ──────┼──┐──────────​
           │  ▼​
           └─── START​

这个电平跳变被所有连接在总线上的设备检测到，表示一次通信的开始。​

2.3 通信的终点：停止条件（STOP Condition）

通信结束时，发送主设备发出：

当 SCL 为高电平时，SDA 从低电平变为高电平。

代码块

SCL: ──────┬─────────────​
           │​
SDA: ───┐  └────┬────────​
       ▲        │​
       └────────┘ STOP​

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