I2C協定是什麼？
I2C的歷史
當將多個設備連接到微控制器 (microcontroller) 時，傳統上需要將每個設備的位址和資料線分別連接，這將佔用微控制器寶貴的引腳資源，導致PCB上出現許多線路，並需要更多元件來將所有部分連接在一起；這使得這些系統生產成本高昂，容易受到干擾和雜訊的影響。
為了解決這個問題，飛利浦 (Philips) 在1980年代開發了Inter-IC匯流排（Inter-Integrated Circuit），或稱I2C；I2C是一種用於主板上通訊的低頻寬、短距離協定，所有設備透過兩條線路連接：串行資料線（Serial Data Line, SDA）和串行時脈線（Serial Clock Line, SCL）。
I2C通訊協定僅使用兩組Open-Drain或開Open-Collector，即串行資料線（Serial Data Line, SDA）和串行時脈線（Serial Clock Line, SCL），設備可以將線路拉低（Low）或者釋放為高阻態（High-Impedance），但無法主動拉高（High）；然後使用電阻上拉（Pull-up, 在SDA和SCL線上連接上拉電阻，以確保在沒有主動驅動時，線路上的電平為高電位，防止訊號的電平漂移）；傳統上，常用的電壓為5V或3.3V；然而，近年來2.5V、1.8V和1.2V變得更加常見。
I2C作業原理
I2C是一種主從協定，主控器 (Master) 發起通訊，從屬設備則相應作出回應，通訊的事件序列如下：
主控器 (Master) 發送起始條件：此條件通知所有從屬設備在串行資料線上等待指令。
主控器 (Master) 發送目標從屬設備的位址和讀/寫旗標。
匹配位址的從屬設備以肯定確認（ACK）或否定確認（NACK）訊號作出回應。
主控器 (Master) 和從屬 (Master) 設備之間，在資料匯流排上進行通訊，根據通訊的讀寫操作，主控器和從屬設備均可接收或發送資料；發送方向向接收方發送8位元資料，接收方回覆1位元確認碼。
當通訊完成時，主控器發送停止命令，表示通訊結束。
I2C協定最多可以處理128個從屬 (Master) 設備，它是一個同步匯流排，這意味著匯流排上的所有設備都與中央時脈訊號同步，與並行匯流排相反，I2C是一個串行匯流排，因此所有資料都透過單一的資料線傳輸，而不是多條線路。
I2C的速度
I2C有五種定義的速度：標準模式 (Standard)、快速模式 (Fast Mode)、快速模式Plus (Fast Mode Plus)、高速模式 (High Speed) 和超高速模式 (Ultra-Fast Mode)；最大速度如下：
1. 標準模式 (Standard) = 100 kHz
2. 快速模式 (Fast Mode) = 400 kHz
3. 快速模式Plus (Fast Mode Plus) = 1 MHz
4. 高速模式 (High Speed) = 3.4 MHz
5. 超高速模式 (Ultra-Fast Mode) = 5 MHz
I2C通訊協定的應用範圍
常見的使用I2C通訊協定的設備
一些通常使用I2C的常見設備包括：OLED顯示器、加速度計 (accelerometers)、特定的壓力/溫度感測器和EEPROM；任何需要進行相對簡單互動的地方都非常適合使用I2C；由於I2C是一種雙線匯流排，如果空間有限，使用I2C是一個不錯的選擇，因為執行命令所需的佔用空間非常小；這在考慮小型壓力感測器時尤其明顯，壓力感測器並不是非常複雜的系統，而且傳感器通常非常小，因此，I2C是一個出色的通訊協定選擇。
特定的I2C應用
作為最受歡迎的串行協定之一，I2C在各種不同的應用中被使用，從物聯網到程式記憶體裝置的編程，I2C幾乎無所不在；由於I2C只需要兩根線，因此非常適合於具有多個互連設備的電路板，這有助於降低系統中添加額外設備時的成本和複雜性；常見的應用包括：串行資料的傳輸與外設的通訊、EEPROM的編程、以及透過輪詢來檢索或接收感測器資料 (retrieving polling)。
使用I2C通訊協定
I2C的優勢
通常，使用I2C協定的使用者也熟悉SPI協定。I2C和SPI在性質上非常相似，但在實際使用中有所不同。這兩種協定都用於簡單的應用，它們在相互比較時都提供了優點和限制。
I2C相對於其他串行協定的一些優點包括：
僅需兩條線，佔用相對較小的系統空間
獨特的設備位址
ACK/NAK確認成功傳輸
能夠添加多個主機和從機，增加功能性
簡單的主從關係
符合產業標準且廣泛部署
能夠適應快速和慢速IC的工作
I2C的限制
I2C通訊並沒有太多的缺點。這個協定已經使用了30多年，這一事實突顯了這一點。然而，它還存在一些較小的限制。
I2C相對於其他協定的一些限制包括：
由於匯流排上有許多從機和主機設備，可能存在位址衝突的可能性
與更快的協定（如SPI）相比，速度較慢
資料訊框限制為8位
由於需要拉高電阻器，需要更多的空間
I2C除錯工具
在使用I2C時，擁有合適的工具組對於確保設計的實現正確性非常重要，增加示波器和邏輯分析儀在開發過程中始終是有幫助的；然而，這些選擇可能價格昂貴，有一些價格較低的工具可供選擇，其中一些是以軟體為基礎，另一些則是以硬體為基礎。
示波器是實現和設計I2C匯流排時的優秀工具，示波器可以提供對設計上對於電氣和訊號特性的廣泛洞察；然而，對於一些開發人員來說，示波器有時太昂貴，無法負擔；對於示波器這個工具來說，硬體和軟體領域都有一些很好的替代方案，可用的工具包括：主機適配器、燒錄器、協定分析儀（硬體和軟體版本）和邏輯分析儀。
每個設備的功能範圍差異很大，一些工具涵蓋廣泛的功能，而一些工具則專注於特定任務，例如：僅編程或探測 (sniffing, 監視和記錄通訊資料，以便分析和了解系統的通訊行為)。
I2C 的最新發展
在過去的二十年中，I2C在速度方面有了進一步的演進，剛開始引入時，它只有一個標準模式，最高速度為100 kHz；隨著科技趨於更小和更快，I2C被迫進行了調整，多年來，新的模式被引入，現在I2C的速度已經達到了最高5 MHz。
該協定的最新演進是一個名為I3C的新匯流排通訊協定，I3C將開發人員喜愛的I2C和SPI相結合，形成一個綜合的協定，I3C標準結合了I2C兩線匯流排的簡單性和SPI的速度優勢；I3C通訊協定的速度可達到12.5 MHz，為I2C上的超高速模式兩倍以上的速度，I3C也與大多數I2C應用具有向下相容性。
目前，I3C仍處於早期開發階段，其應用範圍不如I2C或SPI廣泛；然而，I3C開始逐漸於各類型的IC開始應用，包含目前最新的DDR5使用的SPD等中出現，並逐漸應用於未來的開發項目和實現中。
Total Phase與I2C的介接方式
Total Phase介接I2C協定的工具有多種不同類型，Total Phase提供的所有I2C工具 可以分為兩個主要類別：主機適配器和協定分析儀；主機適配器允許使用者直接連接到I2C系統，並進行I2C資料的編程；而協定分析儀則不直接與資料交互，而是監控匯流排上正在進行的通訊流量；主機適配器使使用者能夠與資料進行交互，而協定分析儀則使使用者能夠即時非侵入地監控資料。
Total Phase主機適配器
Total Phase為I2C提供了兩款主機適配器：Promira I2C/SPI/eSPI 多用協定分析平台 (以下簡稱Promira平台) 和 Aardvark I2C&SPI 封包產生器 (以下簡稱” Aardvark主機適配器”)。這兩種工具都與I2C協定進行介接，主要的區別在於速度和可擴展性方面。
Aardvark I2C/SPI 主機適配器能夠以最高 800 kHz 的速度充當 I2C 主機和從機，如果需要更高的速度，Promira 平台將成為更好的選擇，能夠達到最高 3.4 MHz 的訊號傳輸速度，憑藉這種速度，Promira 平台更適合與高速 I2C 設備進行介接。
Promira 平台還透過硬體內建整合了電平轉換器，可以透過軟體控制來改變電壓水平，而 Aardvark 適配器則受限於 3.3V（對 5V 具有容忍性），無需外部配件；Promira 平台提供多達 12 個通用輸入/輸出引腳（GPIOs），而 Aardvark 適配器最多可以啟用 6 個 GPIOs。
Promira串行平台的優勢
Promira是Total Phase迄今為止最多功能的工具，作為一個工具平台，意味著Promira平台在功能上從不受限制，如果需要更多功能，只需安裝正確的應用程式，以獲得完成手頭上任務所需的功能集，這是最靈活的開發工具；Promira平台還具有以下一些附加功能：
整合了電平轉換 - 可以在不使用其他測試周邊、或外部連接線的情況下，處理從0.9V到5.0V的信號電壓範圍。
遠端控制 – 透過以乙太網路進行自動化任務，將生產和初期的樣品的範圍，擴展到不僅僅透過USB介面與電腦介面。
更大的目標電源 - 可以為目標設備提供高達200 mA的電源，這在許多情況下消除了對外部電源的需求。
下載新的Promira串行平台應用程式 - 根據測試項目要求的變化，即時獲取並使用更多功能。
Aardvark I2C/SPI 主機適配器的優勢
Aardvark 適配器是Total Phase最受歡迎的開發工具，工程師們喜愛Aardvark適配器，因為它具有低成本和高性能，在與I2C進行介接時，Aardvark適配器提供了廣泛的功能包括：
I2C 主機模式時脈速度高達 800 kHz
I2C 從機模式時脈速度高達 800 kHz
支援 3.3V 電壓（對 5V 具有容忍性）
提供最多 6 個通用輸入/輸出（GPIO）
小巧輕便的設計
Total Phase 協定分析儀
於匯流排監控應用，Total Phase 提供了協定分析儀，可提供有關特定匯流排的詳細訊息；對於 I2C，Beagle I2C/SPI 協定分析儀 是分析 I2C 資料的理想選擇，只需將 Beagle I2C/SPI 分析儀連接到一個I2C 匯流排上，即可將資料以即時串流的方式傳輸到系統中，使用者可以即時獲取和監測匯流排的資料訊息；這款匯流排分析儀的特殊之處，在於它提供了對匯流排資料的即時分析，當匯流排上進行通訊時，使用者可以立即在 Data Center 軟體中看到相應的訊息。
能夠即時監測 I2C 匯流排可為工程師提供了節省時間的優勢，與許多其他匯流排即時監測 (sniffers) 需要長時間下載的情況不同，Beagle I2C/SPI 分析儀在匯流排上進行傳輸時，可即時提供使用者所需的資訊，這提供了對系統運作方式寶貴的洞察，使工程師對如何對其系統進行除錯有更深入的了解。
Beagle I2C/SPI 協定分析儀的優勢
Beagle I2C/SPI 協定分析儀是一款非侵入式設備，在系統或設備上進行監測或分析的過程中，不會對系統的正常運作產生任何干擾或影響，可以監測高達 4 MHz 的 I2C 匯流排，多功能的 Beagle I2C/SPI 分析儀是嵌入式工程師開發以 I2C、SPI 或 MDIO 為通訊基礎的產品時的理想工具，Beagle I2C/SPI 分析儀以小巧便攜的外型，提供高性能的匯流排監測功能，非常適合產線和實驗室中的工程師使用。