I2C總線的特點(diǎn)及工作原理解析

I2C總線特點(diǎn)

I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。總線的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能夠進(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。

2 I2C總線工作原理

I2C總線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定規(guī)則，SCL為高電平時(shí)SDA上的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，SCL為低電平時(shí)允許SDA變化。如果SCL處于高電平時(shí)，SDA上產(chǎn)生下降沿，則認(rèn)為是起始位，SDA上的上升沿認(rèn)為是停止位。通信速率分為常規(guī)模式（時(shí)鐘頻率100kHz）和快速模式（時(shí)鐘頻率400kHz）。同一總線上可以連接多個(gè)帶有I2C接口的器件，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，既可以是單接收的器件，也可以是能夠接收發(fā)送的器件。

每次數(shù)據(jù)傳輸都是以一個(gè)起始位開始，而以停止位結(jié)束。傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒有限制。最高有效位將首先被傳輸，接收方收到第8位數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)出應(yīng)答位。數(shù)據(jù)傳輸通常分為兩種：主設(shè)備發(fā)送從設(shè)備接收和從設(shè)備發(fā)送主設(shè)備接收。這兩種模式都需要主機(jī)發(fā)送起始位和停止位，應(yīng)答位由接收方產(chǎn)生。從設(shè)備地址一般是1或2個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分連接在同一I2C上的不同器件。

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

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

結(jié)束信號：SCL為低電平時(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：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)信號后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

在I2C總線中只有主發(fā)送和主接收兩種操作方式。在系統(tǒng)初始化時(shí)，由指令控制CPU送出相關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)接口送到I2C寄存器內(nèi)。通過初始化這些寄存器，可以實(shí)現(xiàn)I2C總線的主模式控制，以及實(shí)現(xiàn)I2C總線上的從設(shè)備讀寫。

當(dāng)主設(shè)備和其中的一個(gè)從設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，主設(shè)備首先發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)Start信號，這個(gè)信號被所有的從設(shè)備接收。即從設(shè)備準(zhǔn)備接收CPU的信號，然后主設(shè)備再發(fā)出它要通信的從設(shè)備地址。接下來，所有的從設(shè)備將收到的這個(gè)地址和它們自己的地址進(jìn)行比較。

如果收到的地址和它們自己的地址不同，則什么都不做，只是等待主設(shè)備發(fā)出停止stop信號；如果收到的地址和它自己的地址相同，它就發(fā)出一個(gè)信號給主設(shè)備，這個(gè)信號稱為應(yīng)答Acknowledge信號。當(dāng)主設(shè)備收到應(yīng)答信號后，它就開始向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或者從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)所有操作都進(jìn)行完畢時(shí)，主設(shè)備發(fā)出一個(gè)Stop信號，通信完畢，釋放I2C總線；然后所有的從設(shè)備都等待下一次Start信號的到來。

3 總線基本操作

I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。

3.1 控制字節(jié)

在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識(shí)別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作。

1．寫過程

（1）上電后等待一個(gè)延時(shí)（1ms）。

（2）器件尋址，給一個(gè)起始信號（SCL為高電平時(shí)SDA給一個(gè)下降沿）。發(fā)送從器件地址，高5位為10110，然后根據(jù)A1/A0（如果和器件的地址相同則那個(gè)器件會(huì)應(yīng)答）進(jìn)行讀/寫控制（O為讀）。

（3）應(yīng)答，器件在SCL的第9個(gè)周期時(shí)SDA給出一個(gè)低電平，作為應(yīng)答信號。

（4）開始寫有兩種模式：字節(jié)寫模式和頁寫模式。

·字節(jié)模式：給出A15～A8應(yīng)答，給出A7～A0應(yīng)答；然后給出DATA和停止信號 （SCL為高電平時(shí)，SDA給出一個(gè)上升沿），接著要等待一個(gè)擦寫時(shí)間。

·頁寫模式：給出地址以后連續(xù)給出64個(gè)數(shù)據(jù)。如果多于64個(gè)數(shù)據(jù)，則地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。（如果少于64昵，估計(jì)是沒有問題的，但是需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。）

（5）判斷擦寫操作是否完畢的一個(gè)方法（應(yīng)答查詢），如果器件還處于擦寫狀態(tài)，則不會(huì)應(yīng)答器件尋址；如果有應(yīng)答，則說明擦寫完畢。

2．讀過程

（1）上電以后等待一個(gè)延時(shí)（lms）。

（2）器件尋址。

（3）應(yīng)答。

（4）開始讀有三種模式：立即當(dāng)前地址讀、選擇/隨機(jī)讀、連續(xù)讀。

·立即當(dāng)前地址讀：如果上次讀/寫的操作地址為N，則現(xiàn)在是N+1。不需要ACK，但是需要Stop信號。

·選擇/隨機(jī)讀：先偽寫（用于給出一個(gè)地址），然后再次啟動(dòng)，讀取數(shù)據(jù)。

·連續(xù)讀：讀取一個(gè)以后給一個(gè)應(yīng)答，這樣器件會(huì)再給出下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（5）開始數(shù)據(jù)傳輸Start后、停止數(shù)據(jù)傳輸Stop前，SCL高電平期間，SDA上為有效數(shù)據(jù)。
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