淺談I2C總線，I2C接口和SPI接口的作用相同

I2C（Inter Integrated Circuit，內(nèi)部集成電路）總線是價(jià)格低廉卻很有效的用以互連小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的外設(shè)的網(wǎng)絡(luò)。I2C 總線有時(shí)候也叫作 IIC，它已有20多年的歷史了。I2C 接口和 SPI 接口的作用相同，但二者的使用方法有些不同。

I2C 總線用兩根線來(lái)連接多支路總線中的多個(gè)設(shè)備。這種總線是雙向、低速的，并與公共時(shí)鐘同步?？梢灾苯訉⒁粋€(gè)設(shè)備接到 I2C 總線上或是從該總線上取下，而不會(huì)影響其他設(shè)備。一些生產(chǎn)商比如 Microchip 公司、Philips 公司、Intel 公司等生產(chǎn)的小型微處理器都內(nèi)置了 I2C 接口。I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸率比 SPI 總線要慢一些，在標(biāo)準(zhǔn)模式下的傳輸速度為 100kbps，在快速模式下為 400kbps。利用 I2C 接口在設(shè)備之間進(jìn)行連接使用的兩根線是SDA（串行數(shù)據(jù)）和SCL（串行時(shí)鐘），它們都是開(kāi)漏，通過(guò)一個(gè)上拉電阻接到正電源，因此在不使用的時(shí)候扔保持高電平。使用 I2C 總線進(jìn)行通信的設(shè)備驅(qū)動(dòng)這兩根線變?yōu)榈碗娖剑诓皇褂玫臅r(shí)候就讓它們保持高電平。每個(gè)連到 I2C 的設(shè)備都有一個(gè)唯一地址，這個(gè)設(shè)備可以是數(shù)據(jù)發(fā)送者（總線主機(jī)）、接收者（總線從機(jī)），也可以二者都是。I2C 是多主機(jī)總線，這意味著可以有多個(gè)設(shè)備充當(dāng)總線主機(jī)的角色。

圖1. I2C總線連線圖

SDA和SCL都是雙向的。SPI 總線有兩根單獨(dú)的線，分別用于兩個(gè)方向的通信，而 I2C 總線不同，它使用同一根線來(lái)完成主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收從機(jī)響應(yīng)。另外，與 SPI 總線具有多個(gè)工作模式不同，I2C 總線只有一個(gè)工作模式，時(shí)鐘線 SCL 和數(shù)據(jù)線 SDA 之間的時(shí)序關(guān)系很簡(jiǎn)單直觀：當(dāng)空閑的時(shí)候，SDA 和 SCL 都是高電平，只有 SDA 變?yōu)榈碗娖?，接?SCL 也變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，才開(kāi)始 I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng) SDA 和 SCL 都變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就是告訴總線上的所有接收設(shè)備數(shù)據(jù)包的傳輸開(kāi)始了，在 SCL 變?yōu)榈碗娖胶?，SDA 才發(fā)送第一個(gè)有效數(shù)據(jù)位，這稱為開(kāi)始條件。對(duì)于被傳輸?shù)拿恳晃?，?dāng) SCL 為低電平時(shí)在 SDA 上必須變?yōu)橛行?，該位是?SCL 的上升沿對(duì) SDA 上的數(shù)據(jù)位進(jìn)行采樣的，也必須一直保持有效直到 SCL 再次變?yōu)榈碗娖?，然?SDA 就在 SCL 再次變?yōu)楦唠娖街皞鬏斚乱晃?。最后，SCL 變?yōu)楦唠娖剑又?SDA 也變?yōu)楦唠娖?，?shù)據(jù)傳輸結(jié)束。這被稱為結(jié)束條件。

圖2. I2C總線傳輸?shù)拈_(kāi)始條件和結(jié)束條件

無(wú)論多大的數(shù)據(jù)包都可以通過(guò) I2C 總線進(jìn)行傳輸。像 SPI 總線一樣，I2C 也是高位先傳輸。如果數(shù)據(jù)接收者無(wú)法再接收更多的數(shù)據(jù)，它可以通過(guò)將SCL保持低電平來(lái)中斷傳輸，這樣可以迫使數(shù)據(jù)發(fā)送者等待，直到 SCL 被重新釋放。發(fā)送方發(fā)出的每個(gè)字節(jié)都必須經(jīng)過(guò)接收方確認(rèn)，每個(gè)字節(jié)的第8位數(shù)據(jù)一旦傳送結(jié)束，發(fā)送方就釋放數(shù)據(jù)線 SDA，然后主機(jī)在 SCL 上產(chǎn)生一個(gè)額外的時(shí)鐘脈沖，這會(huì)觸發(fā)接收方通過(guò)將 SDA 置為低電平來(lái)表示接收到的字節(jié)進(jìn)行確認(rèn)。如果接收方?jīng)]有能將 SDA 置為低電平，發(fā)送方就會(huì)中斷傳輸，并且采取適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理措施。

圖3. 帶有接收方確認(rèn)的I2C數(shù)據(jù)包

由于 I2C 是多主機(jī)總線，因此存在同一時(shí)刻會(huì)有多個(gè)主機(jī)試圖開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡?。SPI 總線使用一個(gè)獨(dú)立的片選端來(lái)使接收從機(jī)有效，每個(gè) SPI 從機(jī)都有一個(gè)單獨(dú)的片選端，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。I2C 沒(méi)有這樣的選擇機(jī)制，不過(guò)總線上的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)先發(fā)送地址位，接著才是數(shù)據(jù)。一個(gè)地址字節(jié)由7個(gè)地址位和1個(gè)指示位組成。如果指示位是0，意味著這個(gè)傳輸是一個(gè)寫操作，被選中的從機(jī)將接收數(shù)據(jù)并將其作為輸入；如果指示位是1，就要求從機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。

I2C 總線還支持一個(gè)擴(kuò)展的10位尋址模式，可連接的外設(shè)數(shù)量可達(dá)1024個(gè)，使用7位尋址模式的設(shè)備和10位尋址模式的設(shè)備可以在同一個(gè)系統(tǒng)中混合使用。10位尋址時(shí)，使用2個(gè)字節(jié)來(lái)保存地址。如果第1個(gè)地址字節(jié)以0b11110xx_開(kāi)始，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)10位地址，第1個(gè)字節(jié)的第1、2位（第0位是讀寫指示位）和第2個(gè)字節(jié)的8位合起來(lái)構(gòu)成10位的地址。而7位設(shè)備將會(huì)忽略這個(gè)過(guò)程。

圖4. I2C普通的和帶重復(fù)開(kāi)始條件的7位地址格式

圖5. I2C總線10位地址格式