I2C总线是一种简单的双向两线式同步串行总线，最初由Philips公司开发，后又经过几次发展和完善，目前已被业界厂商广泛采用，成为最常用的板级通信总线之一，大量应用于处理器与外围设备芯片之间的通信。
1、物理连接
I2C总线由两条线组成：SCL时钟线负责收发双方的时钟同步，SDA数据线负责串行数据的传输。I2C总线支持多个设备同时挂接在同一条总线上，且支持多主机模式，也就是任一设备都可以作为主机发起通信，这就产生了较为复杂的冲突检测和仲裁逻辑。但实际应用中多主机模式极少用到，所以本篇文章不涉及多主机模式的内容，只讲解简单的单主多从这一模式，其典型的电路连接如下图所示。
图1 一主多从I2C通信示意图
如图1所示，I2C总线是由时钟线SCL和数据线SDA组成，连接到总线上的所有器件的SCL都连到一起，所有SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构，因此通常外部要加上拉电阻。对于开漏电路外部加上拉电阻，就组成了线“与”逻辑。线“与”的意思是说，当所有接入的器件都输出高电平时，这条线才是高电平，而任何一个器件输出一个低电平，那这条线就会是低电平。作为从机的器件都有自己的地址，主机通过这个地址与不同的从机建立起通信连接并传输数据。
I2C总线速率最低不设限，速率上限分三种模式：标准模式为100kbps，快速模式为400kbps，高速模式可达3.4Mbps。所有I2C器件都支持标准的100kbps模式，当前大多数器件也已支持400kbps模式，但高速模式还是有很多器件不支持的。选择不同的总线速率还会对总线上拉电阻产生不同的要求，上拉电阻阻值通常在2k~10kΩ之间，总线速率越高电阻值应越小。
2、时序定义
I2C的典型时序图如下图所示。
图2 I2C通信时序图
(1) 总线空闲
总线上的设备都不驱动总线时，总线进入空闲状态，SCL与SDA均处于高电平。
(2) 起始信号Start
当 SCL 线为高电平时，SDA 线上出现下降沿，表明总线上产生了起始信号Start，标志着一次数据传输的开始。
(3) 数据传输
I2C总线规定数据按字节传输，即一次传输8个bit，数据位由SDA线传输，可以连续传输多个字节。传输数据位时SDA必须在SCL保持低电平时改变，而SCL为高电平时SDA必须保持不变。
(4) 应答ACK/NACK
发送方发送完8bit数据（一个字节）后，紧随的下一个时钟周期，发送方释放SDA线，接收方发送一个ACK/NAK信号，用于应答发送方接收状态。ACK表示接收方已成功接收数据，NACK则通常表示接收方因为“忙”或故障而没有成功接收数据。
(5) 停止信号Stop
当 SCL 线为高电平时，SDA 线上出现上升沿，表明总线上产生了停止信号Stop，标志着一次数据传输的结束。
3、数据格式
I2C总线上在起始条件产生之后的第一帧为寻址帧（一个字节），即主机对这个地址的从机进行寻址。I2C协议支持7位地址和10位地址两种模式，但实际应用中极少用到10位地址模式，所以本篇文章不涉及10位寻址模式，仅讲解7位寻址模式：寻址帧共有8个位，其中的高7位为从机地址，第8位是读/写位，用来决定后续数据帧传输的方向（0：写，主机至从机； 1：读，从机至主机）。
图3 I2C数据传输示意图
在实际操作中，SCL线始终由主机驱动，主机发送寻址字节的8bit时，SDA线自然也由主机驱动，8bit发送结束后，主机继续驱动SCL产生一个周期的时钟信号，同时主机释放SDA线，SDA线改由从机驱动，在SCL上升沿之后主机检测SDA线上的电平：如果SDA为低电平(ACK)，则说明从机正确应答，可以继续传输数据；如果SDA为高电平(NAK)，则说明从机因为“忙”或故障而不能继续，此时主机应放弃后续操作，并释放总线。
当寻址完成后，如果其中的读写位为0，则后续数据帧仍是由主机到从机，其SCL与SDA的操作与寻址帧完全相同；如果读写位为1，则后续数据帧是由从机到主机，此时SCL仍由主机驱动，同时主机释放SDA而由从机驱动，主机在每次SCL上升沿后读取SDA线上的数据，一个字节的数据传输完成后，应答位则由主机给出，通常来说ACK表示主机还要继续读数据，而NACK则表示不再继续读取数据。
4、重复起始
在不产生停止信号的情况下，起始信号可以在传输期间重复产生。这是一种特殊情况，称为重复起始，通常用于从从机的特定内部地址处读取数据。
比如I2C接口的存储器件EEPEOM，它除了自身的I2C设备地址外，在其内部还有存储地址，而通常我们都是要在其内部的存储地址上写入或读取数据。而其它大量具备较负责功能的器件，都具备寄存器地址这类东西，用于处理器对其进行配置与传输特定位置的数据。
对于此类器件，写数据时还是很简单的，在寻址字节后第一个（或多个）字节就是其寄存器地址（或存储地址），再之后的数据就是要在该地址（或从该地址开始）写入的数据，如下图所示。
图4 I2C器件数据写入典型操作
而读数据时，通常就会用到重复起始的操作了。首先，主机产生起始信号，并对从机进行寻址+写操作，后续写入一个（或多个）字节的寄存器地址（或存储地址）；然后，主机再次产生起始信号（即重复起始），并对从机进行寻址+读操作，后续就可以从先前写入的地址处开始读取数据了，如下图所示。
图5 I2C器件数据读取典型操作
5、通信实例
下图是使用Kingst LA5016逻辑分析仪采集的EEPROM存储器的一段数据读取的波形。图中的绿圆点指示起始信号，红方块指示停止信号，中间过程中的白圆点指示数据位，白方块指示应答位。
图6 I2C接口EEPROM数据读取实例
从图中可以看到：第一个字节为寻址+写操作，第二个字节就是EEPROM内部的存储地址；然后是重复起始信号，紧跟着一个字节的寻址+读操作，再之后就是从之前传输的地址0x8E处开始的数据了，它们由从机EEPROM逐个送出，最后一个字节的应答位为NAK，表示数据到此结束。
