1. I2C 总线协议基础

1.1 I2C 总线历史与演进

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线由 Philips 半导体（现 NXP）于 1982 年推出，最初用于电视接收机中微控制器与外设之间的低速通信。其设计目标是以最少的引脚数（仅需两根线）实现板级多设备互联。

1.2 物理层特性

I2C 总线仅使用两条双向信号线：SDA（串行数据线）和 SCL（串行时钟线）。两条线通过上拉电阻连接到电源电压（通常为 1.8V、3.3V 或 5V）。

• 开漏输出： 所有设备通过开漏（open-drain）或开集电极（open-collector）驱动 SDA 和 SCL。总线空闲时，两条线均为高电平。
• 线与逻辑： 多个设备可同时驱动总线低电平，实现仲裁（arbitration）和时钟同步（clock synchronization）。
• 上拉电阻： 阻值取决于总线电容和速率，典型值为 1 kΩ ~ 10 kΩ。高速模式需更小阻值以缩短上升时间。
• 最大总线电容： 标准模式 400 pF，Fast-mode Plus 可达 550 pF，超过此值需使用缓冲器或中继器。

1.3 SDA/SCL 信号时序

I2C 通信基于 SCL 时钟同步 SDA 数据。每个时钟脉冲传输 1 位数据。关键时序事件如下：

• 起始条件 (START)： SCL 为高电平时，SDA 从高电平切换到低电平。由主设备产生，表示总线从空闲变为忙碌。
• 停止条件 (STOP)： SCL 为高电平时，SDA 从低电平切换到高电平。由主设备产生，表示总线释放。
• 数据有效性： SCL 高电平期间，SDA 必须保持稳定；SDA 仅在 SCL 低电平期间允许变化。
• 应答位 (ACK/NACK)： 每传输 8 位数据后，接收方在第 9 个 SCL 脉冲拉低 SDA（ACK）或保持高电平（NACK）。

1.4 7 位与 10 位地址模式

I2C 总线使用地址来区分不同的从设备。地址在起始条件后立即发送，占用第一个字节的高 7 位或高 10 位。

7 位地址模式

• 地址范围：0x00 ~ 0x7F（128 个地址），其中 0x00 为通用呼叫地址，0x01 ~ 0x07 保留，实际可用约 112 个。
• 传输格式：起始条件后发送 1 字节，高 7 位为地址，最低位为 R/W 方向位（0=写，1=读）。
• 示例：地址 0x50（AT24C02 EEPROM）写操作时发送 0xA0（0x50 << 1 | 0）。

10 位地址模式

• 地址范围：0x00 ~ 0x3FF（1024 个地址），与 7 位地址兼容。
• 传输格式：起始条件后先发送 5'b11110 + 地址高 2 位 + R/W，再发送剩余 8 位地址。
• 第一个字节的高 5 位固定为 11110，用于与 7 位地址区分。

1.5 总线仲裁与时钟同步

I2C 总线支持多主设备环境，通过以下机制避免冲突：

• 仲裁 (Arbitration)： 多个主设备同时驱动 SDA 时，输出低电平的设备获胜。仲裁在 SDA 上进行，不损失数据。
• 时钟同步： 多个主设备将 SCL 拉低，最长的低电平周期决定 SCL 低电平时间；最短的高电平周期决定 SCL 高电平时间。所有主设备同步到统一的时钟。
• 丢失仲裁： 检测到 SDA 电平与自身输出不一致的主设备立即释放 SDA 和 SCL，转为从设备模式。