1. I2C 总线概述

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线由 Philips 半导体（现 NXP）于 1982 年发明，最初用于电视接收机内部芯片间的低速通信。经过 40 余年发展，它已成为嵌入式系统中最广泛使用的板级总线之一，被几乎所有微控制器、传感器、存储器、I/O 扩展芯片所支持。

1.1 总线历史与演进

1.2 物理层特性：SDA 与 SCL

I2C 总线仅使用两条双向信号线：

• SDA（Serial Data Line） — 串行数据线，用于传输地址和数据。
• SCL（Serial Clock Line） — 串行时钟线，由主设备产生，同步所有数据传输。

两条线均为开漏（open-drain）结构，即器件只能将线拉低，不能主动拉高。高电平由外部上拉电阻提供。这种结构允许多个主设备共存，且支持线与（wired-AND）仲裁。

1.3 电气特性与上拉电阻选择

上拉电阻的取值直接影响总线功耗、信号上升时间和最大通信速率。选择不当会导致信号畸变、通信失败甚至器件损坏。

上拉电阻计算公式

最小上拉电阻受 V_OL 和 I_OL 限制：

Rp(min) = (VDD - VOL(max)) / IOL(max)

其中：
  VDD     = 总线供电电压（典型 3.3V 或 5V）
  VOL(max)= 输出低电平最大电压（标准 0.4V @ 3mA）
  IOL(max)= 器件最大灌电流（标准 3mA）

最大上拉电阻由总线电容 C_b 和所需上升时间 t_r 决定：

Rp(max) = tr / (0.8473 × Cb)

其中：
  tr  = 最大允许上升时间（Sm: 1000ns, Fm: 300ns, Fm+: 120ns）
  Cb  = 总线总电容（PCB 走线 + 器件引脚电容，典型 10~400pF）

常见场景推荐值

1.4 总线空闲状态与起始/停止条件

理解总线空闲状态是编写 I2C 驱动的基础：

• 空闲状态： SDA 和 SCL 均为高电平（由上拉电阻维持）。
• 起始条件（START）： SCL 为高电平时，SDA 从高电平切换到低电平。
• 停止条件（STOP）： SCL 为高电平时，SDA 从低电平切换到高电平。

1.5 地址与数据传输基本单元

每个 I2C 从设备拥有唯一的 7 位或 10 位地址。主设备通过起始条件后发送的地址字节选择从设备：

• 7 位地址模式： 地址字节高 7 位为地址，最低位为 R/W（0=写，1=读）。
• 10 位地址模式： 第一个字节高 5 位为 11110，后跟地址高 2 位 + R/W；第二个字节为地址低 8 位。

每个字节传输后，接收方必须发送一个应答位（ACK）：

• ACK（0）： 接收方在第 9 个 SCL 周期将 SDA 拉低，表示成功接收。
• NACK（1）： 接收方在第 9 个 SCL 周期保持 SDA 高电平，表示未就绪或传输结束。