深度解析IIC的通信協(xié)議流程及工作原理

IIC 簡(jiǎn)介

IIC(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由NXP（原PHILIPS）公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。多用于主控制器和從器件間的主從通信，在小數(shù)據(jù)量場(chǎng)合使用，傳輸距離短，任意時(shí)刻只能有一個(gè)主機(jī)等特性。

在 CPU 與被控 IC 之間、IC 與 IC 之間進(jìn)行雙向傳送，高速 IIC 總線一般可達(dá) 400kbps 以上。

PS：這里要注意IIC是為了與低速設(shè)備通信而發(fā)明的，所以IIC的傳輸速率比不上SPI

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IIC的物理層

IIC一共有只有兩個(gè)總線：一條是雙向的串行數(shù)據(jù)線ＳＤＡ，一條是串行時(shí)鐘線ＳＣＬ

SDA(Serial data)是數(shù)據(jù)線，D代表Data也就是數(shù)據(jù)，Send Data 也就是用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的

SCL(Serial clock line)是時(shí)鐘線，C代表Clock 也就是時(shí)鐘 也就是控制數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)序的

所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。I2C總線上的每個(gè)設(shè)備都自己一個(gè)唯一的地址，來(lái)確保不同設(shè)備之間訪問(wèn)的準(zhǔn)確性。

IIC主要特點(diǎn)：

通常我們?yōu)榱朔奖惆袸IC設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，基本上誰(shuí)控制時(shí)鐘線（即控制SCL的電平高低變換）誰(shuí)就是主設(shè)備。**

IIC主設(shè)備功能：主要產(chǎn)生時(shí)鐘，產(chǎn)生起始信號(hào)和停止信號(hào)

IIC從設(shè)備功能：可編程的IIC地址檢測(cè)，停止位檢測(cè)

IIC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它支持多主控(multimastering)， 其中任何一個(gè)能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。

支持不同速率的通訊速度，標(biāo)準(zhǔn)速度(最高速度100kHZ),快速（最高400kHZ）

SCL和SDA都需要接上拉電阻 (大小由速度和容性負(fù)載決定一般在3.3K-10K之間) 保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，減少干擾。

IIC是半雙工，而不是全雙工 ，同一時(shí)間只可以單向通信

為了避免總線信號(hào)的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時(shí)必須是漏極開(kāi)路（OD）輸出或集電極開(kāi)路（OC）輸出。這一點(diǎn)在等下我們會(huì)講解

IIC的高阻態(tài)

漏極開(kāi)路（Open Drain）即高阻狀態(tài)，適用于輸入/輸出，其可獨(dú)立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài)，若需要產(chǎn)生高電平，則需使用外部上拉電阻

高阻狀態(tài)：高阻狀態(tài)是三態(tài)門(mén)電路的一種狀態(tài)。邏輯門(mén)的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門(mén)電路。電路分析時(shí)高阻態(tài)可做開(kāi)路理解。

我們知道IIC的所有設(shè)備是接在一根總線上的，那么我們進(jìn)行通信的時(shí)候往往只是幾個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，那么這時(shí)候其余的空閑設(shè)備可能會(huì)受到總線干擾，或者干擾到總線，怎么辦呢？

為了避免總線信號(hào)的混亂，IIC的空閑狀態(tài)只能有外部上拉， 而此時(shí)空閑設(shè)備被拉到了高阻態(tài)，也就是相當(dāng)于斷路， 整個(gè)IIC總線只有開(kāi)啟了的設(shè)備才會(huì)正常進(jìn)行通信，而不會(huì)干擾到其他設(shè)備。

IIC器件地址：每一個(gè)IIC器件都有一個(gè)器件地址，有的器件地址在出廠時(shí)地址就設(shè)定好了，用戶不可以更改,比如OV7670的地址為0x42。有的器件例如EEPROM，前四個(gè)地址已經(jīng)確定為1010，后三個(gè)地址是由硬件鏈接確定的，所以一IIC總線最多能連8個(gè)EEPROM芯片。

IIC物理層總結(jié)：

I2C 總線在物理連接上非常簡(jiǎn)單，分別由SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串行時(shí)鐘線)及上拉電阻組成。通信原理是通過(guò)對(duì)SCL和SDA線高低電平時(shí)序的控制，來(lái)產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時(shí)，SCL和SDA被上拉電阻Rp拉高，使SDA和SCL線都保持高電平。

I2C通信方式為半雙工，只有一根SDA線，同一時(shí)間只可以單向通信，485也為半雙工，SPI和uart通信為全雙工。

主機(jī)和從機(jī)的概念：

主機(jī)就是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)協(xié)調(diào)與分配，從機(jī)一般是通過(guò)接收主機(jī)的指令從而完成某些特定的任務(wù)，主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

發(fā)布主要命令的稱為主機(jī)

接受命令的稱為從機(jī)

半雙工和全雙工：

IIC的協(xié)議層

I2C 總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有三種類型信號(hào)， 它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。

開(kāi)始信號(hào)：SCL 為高電平時(shí)，SDA 由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：SCL 為高電平時(shí)，SDA 由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的 IC 在接收到 8bit 數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的 IC 發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU 向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU 接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

這些信號(hào)中，起始信號(hào)是必需的，結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，都可以不要。

IIC 總線時(shí)序圖

下面我們來(lái)詳細(xì)的介紹下IIC的通信協(xié)議流程：

初始(空閑)狀態(tài)

因?yàn)镮IC的 SCL 和SDA 都需要接上拉電阻，保證空閑狀態(tài)的穩(wěn)定性

所以IIC總線在空閑狀態(tài)下SCL 和SDA都保持高電平

代碼：

開(kāi)始信號(hào)：

SCL保持高電平，SDA由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，延時(shí)(>4.7us)，SCL變?yōu)榈碗娖健?/p>

代碼表示：

停止信號(hào)

停止信號(hào)：SCL保持高電平。SDA由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨(dú)占，其他I2C器件無(wú)法訪問(wèn)總線；而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)。

數(shù)據(jù)有效性

IIC信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)SCL=1高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有電平跳變，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

SCL=1時(shí) 數(shù)據(jù)線SDA的任何電平變換會(huì)看做是總線的起始信號(hào)或者停止信號(hào)。

也就是在IIC傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，SCL時(shí)鐘線會(huì)頻繁的轉(zhuǎn)換電平，以保證數(shù)據(jù)的傳輸

應(yīng)答信號(hào)

每當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，主機(jī)總是需要等待從機(jī)給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，以確認(rèn)從機(jī)是否成功接收到了數(shù)據(jù)，

應(yīng)答信號(hào)：主機(jī)SCL拉高，讀取從機(jī)SDA的電平，為低電平表示產(chǎn)生應(yīng)答

應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK，簡(jiǎn)稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；

應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒(méi)有成功。

**每發(fā)送一個(gè)字節(jié)（8個(gè)bit）**在一個(gè)字節(jié)傳輸?shù)?個(gè)時(shí)鐘后的第九個(gè)時(shí)鐘期間，接收器接收數(shù)據(jù)后必須回一個(gè)ACK應(yīng)答信號(hào)給發(fā)送器，這樣才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)答出現(xiàn)在每一次主機(jī)完成8個(gè)數(shù)據(jù)位傳輸后緊跟著的時(shí)鐘周期，低電平0表示應(yīng)答，1表示非應(yīng)答，

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等待應(yīng)答信號(hào)：

IIC數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)傳送格式

SDA線上的數(shù)據(jù)在SCL時(shí)鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。

當(dāng)一個(gè)字節(jié)按數(shù)據(jù)位從高位到低位的順序傳輸完后，緊接著從設(shè)備將拉低SDA線，回傳給主設(shè)備一個(gè)應(yīng)答位ACK， 此時(shí)才認(rèn)為一個(gè)字節(jié)真正的被傳輸完成 ，如果一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，則自動(dòng)認(rèn)為從機(jī)已正確接收到數(shù)據(jù)。

IIC寫(xiě)數(shù)據(jù)：

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?

多數(shù)從設(shè)備的地址為7位或者10位，一般都用七位。

八位設(shè)備地址=7位從機(jī)地址+讀/寫(xiě)地址，

再給地址添加一個(gè)方向位位用來(lái)表示接下來(lái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍?/p>

0表示主設(shè)備向從設(shè)備(write)寫(xiě)數(shù)據(jù)，

1表示主設(shè)備向從設(shè)備(read)讀數(shù)據(jù)

IIC的每一幀數(shù)據(jù)由9bit組成，

如果是發(fā)送數(shù)據(jù)，則包含 8bit數(shù)據(jù)+1bit ACK,

如果是設(shè)備地址數(shù)據(jù)，則8bit包含7bit設(shè)備地址 1bit方向

在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址(7位) 1~7位為7位接收器件地址，第8位為讀寫(xiě)位，用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(W)，“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù) （R）, 第9位為ACK應(yīng)答位，緊接著的為第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，然后是一位應(yīng)答位，后面繼續(xù)第2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

IIC發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)：

IIC讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)：

IIC發(fā)送數(shù)據(jù)

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?

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Start: IIC開(kāi)始信號(hào)，表示開(kāi)始傳輸。

DEVICE_ADDRESS:: 從設(shè)備地址,就是7位從機(jī)地址

R/W：W(write)為寫(xiě)，R(read)為讀

ACK：應(yīng)答信號(hào)

WORD_ADDRESS ：從機(jī)中對(duì)應(yīng)的寄存器地址 比方說(shuō)訪問(wèn) OLED中的 某個(gè)寄存器

DATA: 發(fā)送的數(shù)據(jù)

STOP: 停止信號(hào)。結(jié)束IIC

主機(jī)要向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)：

主機(jī)首先產(chǎn)生START信號(hào)

然后緊跟著發(fā)送一個(gè)從機(jī)地址，這個(gè)地址共有7位，緊接著的第8位是數(shù)據(jù)方 向位(R/W)，0表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(寫(xiě))，1表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)(讀)

主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，若相同，則認(rèn)為自己正在被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器和接收器

這時(shí)候主機(jī)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)(A)

當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，發(fā)送要訪問(wèn)從機(jī)的那個(gè)地址， 繼續(xù)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)

當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，發(fā)送N個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待從機(jī)的N次應(yīng)答信號(hào)，

主機(jī)產(chǎn)生停止信號(hào)，結(jié)束傳送過(guò)程。

IIC讀數(shù)據(jù)：

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?

主機(jī)要從從機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)

主機(jī)首先產(chǎn)生START信號(hào)

然后緊跟著發(fā)送一個(gè)從機(jī)地址，注意此時(shí)該地址的第8位為0，表明是向從機(jī)寫(xiě)命令，

這時(shí)候主機(jī)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)(ACK)

當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，發(fā)送要訪問(wèn)的地址，繼續(xù)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，

當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，主機(jī)要改變通信模式(主機(jī)將由發(fā)送變?yōu)榻邮眨瑥臋C(jī)將由接收變?yōu)榘l(fā)送)所以主機(jī)重新發(fā)送一個(gè)開(kāi)始start信號(hào)，然后緊跟著發(fā)送一個(gè)從機(jī)地址，注意此時(shí)該地址的第8位為1，表明將主機(jī)設(shè) 置成接收模式開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，

這時(shí)候主機(jī)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，就可以接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收完成后，主機(jī)發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)，表示不在接收數(shù)據(jù)

主機(jī)進(jìn)而產(chǎn)生停止信號(hào)，結(jié)束傳送過(guò)程。

以AT24C02為例子

24C02是一個(gè)2K Bit的串行EEPROM存儲(chǔ)器（掉電不丟失），內(nèi)部含有256個(gè)字節(jié)。在24C02里面有一個(gè)8字節(jié)的頁(yè)寫(xiě)緩沖器。

A0,A1,A2：硬件地址引腳

WP：寫(xiě)保護(hù)引腳，接高電平只讀，接地允許讀和寫(xiě)

SCL和SDA：IIC總線

可以看出對(duì)于不同大小的24Cxx，具有不同的從器件地址。由于24C02為2k容量，也就是說(shuō)只需要參考圖中第一行的內(nèi)容：

芯片的尋址：

AT24C設(shè)備地址為如下，前四位固定為1010，A2~A0為由管腳電平。AT24CXX EEPROM Board模塊中默認(rèn)為接地。A2~A0為000，最后一位表示讀寫(xiě)操作。所以AT24Cxx的讀地址為0xA1,寫(xiě)地址為0xA0。

也就是說(shuō)如果是

寫(xiě)24C02的時(shí)候，從器件地址為10100000（0xA0）；

讀24C02的時(shí)候，從器件地址為10100001（0xA1）。

片內(nèi)地址尋址：

芯片尋址可對(duì)內(nèi)部256B中的任一個(gè)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，其尋址范圍為00~FF，共256個(gè)尋址單位。

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?

對(duì)應(yīng)的修改 A2A1A0 三位數(shù)據(jù)即可

向AT24C02中寫(xiě)數(shù)據(jù)

操作時(shí)序：

MCU先發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)(START)啟動(dòng)總線

接著跟上首字節(jié)，發(fā)送器件寫(xiě)操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫(xiě)數(shù)據(jù)(0xA0)

等待應(yīng)答信號(hào)(ACK)

發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。24C02一共有256個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，地址從0x00~0xFF，想把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)>在哪個(gè)位置，此刻寫(xiě)的就是哪個(gè)地址。

發(fā)送要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)第一字節(jié)、第二字節(jié)、…注意在寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，E2PROM每個(gè)字節(jié)都會(huì)>回應(yīng)一個(gè)“應(yīng)答位0”，老告訴我們寫(xiě)E2PROM數(shù)據(jù)成功，如果沒(méi)有回應(yīng)答位，說(shuō)明寫(xiě)入不成功。

發(fā)送結(jié)束信號(hào)（STOP）停止總線

注意：

在寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，每成功寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)，E2PROM存儲(chǔ)空間的地址就會(huì)自動(dòng)加1，當(dāng)加到0xFF后，再寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，地址就會(huì)溢出又變成0x00。

寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候需要注意，E2PROM是先寫(xiě)到緩沖區(qū)，然后再“搬運(yùn)到”到掉電非易失區(qū)。所以這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，AT24C02這個(gè)過(guò)程是不超過(guò)5ms！

所以，當(dāng)我們?cè)趯?xiě)多個(gè)字節(jié)時(shí)，寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)之后，再寫(xiě)入下一個(gè)字節(jié)之前，必須延時(shí)5ms才可以

從AT24C02中讀數(shù)據(jù)

讀當(dāng)前地址的數(shù)據(jù)

?

?

2、讀隨機(jī)地址的數(shù)據(jù)

?

?

MCU先發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)(START)啟動(dòng)總線

接著跟上首字節(jié)，發(fā)送器件寫(xiě)操作地址(DEVICE ADDRESS)+寫(xiě)數(shù)據(jù)(0xA0)

注意：這里寫(xiě)操作是為了要把所要讀的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址先寫(xiě)進(jìn)去，告訴E2PROM要讀取哪個(gè)地址的數(shù)據(jù)。

發(fā)送要讀取內(nèi)存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM讀取要哪個(gè)地址的信息。

重新發(fā)送開(kāi)始信號(hào)(START)

發(fā)送設(shè)備讀操作地址(DEVICE ADDRESS)對(duì)E2PROM進(jìn)行讀操作 (0xA1)

E2PROM會(huì)自動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)讀取從器件發(fā)回的數(shù)據(jù)，在讀一個(gè)字節(jié)后，MCU會(huì)回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)(ACK)后，E2PROM會(huì)繼續(xù)傳輸下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)，MCU不斷回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)可以不斷讀取內(nèi)存的數(shù)據(jù)

如果不想讀了，告訴E2PROM不想要數(shù)據(jù)了，就發(fā)送一個(gè)“非應(yīng)答位NAK(1)”。發(fā)送結(jié)束信號(hào)（STOP）停止總線

3、連續(xù)讀數(shù)據(jù)

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E2PROM支持連續(xù)寫(xiě)操作，操作和單個(gè)字節(jié)類似，先發(fā)送設(shè)備寫(xiě)操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后發(fā)送內(nèi)存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU會(huì)回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)(ACK)后，E2PROM會(huì)繼續(xù)傳輸下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)，MCU不斷回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)可以不斷讀取內(nèi)存的數(shù)據(jù)。E2PROM的地址指針會(huì)自動(dòng)遞增，數(shù)據(jù)會(huì)依次保存在內(nèi)存中。不應(yīng)答發(fā)送結(jié)束信號(hào)后終止傳輸。

軟件IIC和硬件IIC

IIC分為軟件IIC和硬件IIC

軟件IIC：軟件IIC通信指的是用單片機(jī)的兩個(gè)I/O端口模擬出來(lái)的IIC，用軟件控制管腳狀態(tài)以模擬I2C通信波形，軟件模擬寄存器的工作方式。

硬件IIC：一塊硬件電路，硬件I2C對(duì)應(yīng)芯片上的I2C外設(shè)，有相應(yīng)I2C驅(qū)動(dòng)電路，其所使用的I2C管腳也是專用的，硬件（固件）I2C是直接調(diào)用內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。

硬件I2C的效率要遠(yuǎn)高于軟件的，而軟件I2C由于不受管腳限制，接口比較靈活。

審核編輯：黃飛

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