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前言

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种在集成电路之间进行串行通信的协议，常用于连接各种传感器、存储器和外设。在 ESP32 IDF（Espressif IoT Development Framework）中，I2C 起着至关重要的作用，为开发者提供了灵活而强大的接口，使其能够与外部设备进行可靠的通信。

本文将探讨 ESP32 IDF 中 I2C 的层次结构和基本协议，以便开发者更深入地了解如何在 ESP32 上使用 I2C 进行设备通信。

一、I2C的结构层次

1.1 怎样在两个设备之间传输数据

在两个设备之间进行数据的传输，我们有两种方式，一种是异步传输，一种是同步传输。
比如串口，他是异步传输。
比如I2C，他是同步传输。

1.2 I2C如何传输数据

在I2C中，他有两个引脚

• SCL
  SCL为时钟信号，在时钟的同步下，我们就可以进行数据的传输
• SDA
  SDA进行数据的传输。

I2C是半双工的，因为他只有一条数据线，只能发送完了再接收或者接收完了再发送，而我们的串口可以一边发送一边接收，串口是全双工的。

1.3 硬件框图

比如说oled的硬件框图，里面有一个ssd1306的主控芯片

如果我们想在屏幕上显示文字，我们只需要编写程序来初始ssd1306芯片
接下来我们把数据通过IIC总线写到ssd1306里面的显存来：

显存里面就保存着要显示的数据。这个芯片会周而复始的把数据刷到屏幕里面。
在以后，我们只需要初始化好ssd1306，然后把数据写到显存里面来就可以。

1.4 软件层次

二、IIC协议

2.1 硬件连接

I2C在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线SCL,SDA线，在一条I2C总线上可以接很多I2C设备，我们还会放一个上拉电阻(放一个上拉电阻的原因以后我们再说)。

2.2 I2C 总线的概念

I2C(Inter-Integrated Circuit，又称 IIC)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的串行总
线，用于连接微控制器及其外围设备，它具有如下特点：
只有两条总线线路：一条串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。

每个连接到总线的器件都可以使用软件根据它的惟一的地址来识别。

传输数据的设备间是简单的主/从关系。

主机可以用作主机发送器或主机接收器。

它是一个真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲
突检测和仲裁来防止数据被破坏。

串行的 8 位双向数据传输，位速率在标准模式下可达 100kbit/s，在快速模式下
可达 400kbit/s，在高速模式下可达 3.4Mbit/s。

片上的滤波器可以增加抗干扰功能，保证数据的完整。

连接到同一总线上的 IC 数量只受到总线的最大电容 400pF 的限制。

对于I2C协议，一个I2C总线可以接多个设备.

2.3 传输数据类比

先说明一些术语，如下所示。
◼ 发送器：发送数据到总线的器件
◼ 接收器：从总线接收数据的器件
◼ 主机：发起/停止数据传输、提供时钟信号的器件
◼ 从机：被主机寻址的器件
◼ 多主机：可以有多个主机试图去控制总线，但是不会破坏数据
◼ 仲裁：当多个主机试图去控制总线时，通过仲裁可以使得只有一个主机获得总线
控制权，并且它传输的信息不被破坏
◼ 同步：多个器件同步时钟信号的过程

比如说：上体育课，一个老师和多个学生：

发球：
老师:开始了(start)
老师:A!我要发球给你!(地址/方向)
学生A: 到!(回应)
老师把球发出去(传输)
A收到球之后，应该告诉老师一声(回应)
老师: 结束(停止)

接球：
老师:开始了(start)
老师: B!把球发给我!(地址/方向)
学生B:到!
B把球发给老师(传输)
老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了 (回应)
老师:结束(停止)

① 老师说开始了，表示开始信号(start)
② 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)，发送的第一个字节前7位表示发送的地址，最后一位表示是写还是读，0位读，1为写。
③ 老师发球/接球，表示数据的传输
④ 到球要回应：回应信号(ACK)，传输完一位后，主机会拉高SDA，如果找到了从机，从机会把SDA拉低，表示有这个设备
⑤ 老师说结束，表示 IIC 传输结束§

2.3 I2C信号

在SCL为高电平的期间，SDA数据要保持稳定（对方就是在SCL为高电平期间来读取SDA数据的），如果你想修改下一位数据，你需要把SCL拉低，保持SCL为低电平，在SCL为低电平期间，SDA切换数据，如下图所示：

如果说，主机传输完了开始信号，但是数据并没有准备好，那么我们的SCL拉低，等待我们的数据到来，他可以由主机拉低也可以由从机拉低，表示现在没有数据要等一下

2.4 I2C数据的含义

在I2C中，有下面的数据传输：

第一个8位表示地址和读写标识，但是后面的并未规定他有什么含义

如果说，你要去访问一个存储芯片，你确定地址之后，你就可以发送数据
如果你想写，你肯定先要确定写地址，后面的就是存储数据

如果是读操作：

在上一次你把存储地址发给设备了，在第二次你发起一个读操作，他就把那个地址上的数据返回给你。
这些数据的含义完全由芯片决定！

总结

在 ESP32 IDF 中，I2C 提供了一种高效的方式，使开发者能够轻松地与外部设备进行通信。通过了解 I2C 的层次结构和协议，开发者可以更好地利用 ESP32 的硬件特性，实现与传感器、外设等设备的稳健连接。在实际开发中，熟悉 ESP32 IDF 提供的 I2C 接口，将有助于构建更复杂和功能丰富的嵌入式系统。