一、什么是 I²C？
I²C（Inter-Integrated Circuit，读作 I-squared-C），由飞利浦（现在的 NXP）提出，是一种同步串行总线：只有两根线，SDA（数据）和 SCL（时钟），却可以挂几十个器件。每个器件有自己的地址，主机用地址找到它。
类比：I²C 像一个学校的广播系统：两根线是整个学校共用的喇叭线路。每个班级（器件）有自己的班号（地址）。老师（主机）先广播"请 3 班回答"，只有 3 班会应答，其它班保持安静。所有人都能听到广播，但只有被点名的人才回应。
与 SPI 的最大不同：SPI 每挂一个从机多一根片选线；I²C 不需要片选，靠地址区分。代价是速度相对低，而且协议更复杂一些。
二、两根线与开漏结构
I²C 双线总线与上拉 示意图：每条线独立上拉
2.1 为什么必须是开漏？
I²C 上的每一个器件，SDA 和 SCL 都只能拉低，不能主动拉高。高电平靠外部的上拉电阻拉起来。这样做的原因是：如果两个器件一个想拉高、一个想拉低，推挽输出会直接短路；而开漏结构下，只要有一个器件拉低，线就是低，不会短路。这叫线与关系。
记住这一点：I²C 的线上没有"主动拉高"的器件。线是高的，只是因为上拉电阻把它抬起来，并且没有人拉低它。第9课（总览）讲过的开漏输出，正是为这个场景设计的。
2.2 主机与从机
- 主机（Master）：产生时钟 SCL，发起通信（START）和结束（STOP）。
- 从机（Slave）：响应主机的地址，并回应（ACK）。
- I²C 允许多个主机（多主），但实际中多数系统只用一个主机。
三、上拉电阻：怎么算？
上拉电阻 Rp 不能随便取。它太大，线上升太慢，速率上不去；它太小，拉低时电流太大，器件（尤其是 SDA 的下管）承受不了。取值要同时满足两个条件：
Rmax = tr / (0.8473 × Cb) （上升时间 tr 的限制，决定速率上限）
Rmin = (VDD − VOL) / IOL （下拉电流 IOL 的限制，决定最小阻值）
tr：上升时间（标准模式 1000 ns，快速模式 300 ns）；Cb：总线总电容（pF，含线缆和所有器件）；VOL：低电平（约 0.4 V）；IOL：允许吸收的电流（通常 3 mA）
3.1 动手算一算
Rmax（速率允许的上限）-
Rmin（电流允许的下限）-
你选的 Rp 是否合适-
常见取值：3.3 V 系统、短总线，4.7 kΩ 是最常见的选择；速率要求高或线较长时，减小到 2.2 kΩ 左右。具体以器件手册和实测波形为准（用示波器看上升沿是否在时序允许范围内）。
四、START、STOP、ACK：三个特殊信号
| 信号 | SCL 为高时，SDA 怎样变化 | 作用 |
|---|
| START（起始） | SDA 从高变低（SCL 保持高） | 宣布"一次通信开始" |
| STOP（停止） | SDA 从低变高（SCL 保持高） | 宣布"一次通信结束"，总线回到空闲 |
| ACK（应答） | 接收方在第 9 个时钟把 SDA 拉低 | 表示"我收到了，请继续"；保持高则为 NACK（无应答） |
类比：START 像敲门、STOP 像关门。数据在 SCL 低电平时准备好，在 SCL 高电平时被读取。只有 START 和 STOP 时，SDA 可以在 SCL 为高时变化，这正是它们被识别为特殊信号的原因。
规则必须牢记：数据位在 SCL 为低时才能改变；在 SCL 为高时，SDA 必须保持稳定，被对方读取。唯一的例外是 START 和 STOP。
五、动手看一帧数据
一帧通常是：START → 地址字节（7 位地址 + 1 位读写位）→ ACK → 数据字节 → ACK → …… → STOP。下面演示发送一个地址字节加 ACK，选择地址与读写方向。
上：SCL（时钟，主机给） 下：SDA（数据，两边共用）
读这张图的方法：先找 START（SDA 在 SCL 高时下降），再逐位读 SDA（每个 SCL 高脉冲时读一位），然后看第 9 位是否有 ACK（从机把 SDA 拉低）。
六、地址：7 位与 8 位的坑
I²C 的地址通常是 7 位。发送时，地址后面再跟一位读写位，合起来正好是一个字节。因此资料里常见两种写法，很容易搞混：
| 写法 | 含义 | 例子（7 位地址 0x3C 的 OLED） |
|---|
| 7 位地址 | 只包含地址本身 | 0x3C |
| 8 位写地址 | 7 位地址左移一位，最低位为 0（写） | 0x78（0x3C << 1） |
| 8 位读地址 | 7 位地址左移一位，最低位为 1（读） | 0x79 |
发送的第一个字节 = (7 位地址 << 1) | R/W
例：MPU6050 地址 0x68，写地址 = 0xD0，读地址 = 0xD1。很多人把 0xD0 当成地址，结果找不到器件
地址冲突：同一条总线上两个器件地址相同，会同时响应，数据全乱。例如 DS3231 与 MPU6050 都是 0x68，不能挂在同一条总线上（除非有地址脚可以改）。选器件时要先查地址表。
找不到器件时：可以写一个"扫描程序"，依次对 0x08 ~ 0x77 每个地址发送 START 并看有没有 ACK。这是 I²C 调试最实用的方法。
七、速率与总线电容
| 模式 | 速率 | 说明 |
|---|
| 标准模式 | 100 kbps | 最通用，兼容性最好 |
| 快速模式 | 400 kbps | 大多数传感器与 EEPROM 支持 |
| 快速模式 + | 1 Mbps | 较少见，要求高 |
每一帧的大致时间 ≈ （字节数 + 1）× 9 位 / 速率
例：400 kbps 下，写 1 字节（加地址共 2 字节）约 2 × 9 / 400000 ≈ 45 μs
总线电容越大，波形越慢：线越长、器件越多，Cb 越大，上升沿越缓。Cb 超过 400 pF 时，I²C 的规范就不再保证正常工作。所以 I²C 适合板内或短线，远距离要换 RS485 或加专门的总线扩展芯片。
八、常见问题排查
| 现象 | 最可能的原因 | 怎么查 |
|---|
| 完全没有 ACK，找不到器件 | 地址写错（7 位与 8 位混淆）、没有上拉、接线错 | 用扫描程序；量 SDA、SCL 是否有上拉电压 |
| SDA 或 SCL 一直被拉低，总线"卡死" | 从机在通信中途出错，仍占着线；或某个器件短路 | 断电重启；用主机发几个时钟脉冲恢复（"总线清除"） |
| 偶尔出错、数据乱跳 | 上拉太大、线太长、速率太高、干扰 | 减小上拉电阻，降低速率，缩短线路 |
| 两个器件同时响应 | 地址冲突 | 更换器件，或使用地址脚改变地址 |
| 3.3 V 与 5 V 器件混用出错 | 电平不匹配，5 V 器件把 SDA 拉高到 5 V | 用电平转换器（双向 MOSFET 或专用芯片） |
总线卡死的类比：班上一个同学一直举着手不放（SDA 被拉低），其它人就没法说话。解决办法不是责怪大家，而是让老师（主机）发几次时钟，引导那个同学放下手。
十、本节小结
- I²C 是两根线（SDA、SCL）的同步半双工总线，靠地址区分器件，可以多主多从。
- SDA 与 SCL 都是开漏结构，必须靠上拉电阻拉高，因此不会出现推挽对推的短路。
- 上拉电阻要同时满足上限 Rmax = tr / (0.8473·Cb) 与下限 Rmin = (VDD − VOL)/IOL。
- SCL 为高时，SDA 只有 START（下降）和 STOP（上升）可以变化，数据位只能在 SCL 为低时改变。
- 地址常以 7 位表示，发送时左移一位并加上读写位；资料里注意区分 7 位与 8 位写法。
- 总线卡死时可以让主机发送时钟脉冲恢复；扫描地址是最实用的排查方法。
回到本课总览：第9课（总）：GPIO 与通信接口总览
本课五页：总览 · UART · RS485 · SPI · I²C