I2C總線的傳輸協(xié)議及工作原理

　　一、特點

　　I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。其主要特點可以概括如下：

　?。?）在硬件上，12C總線只需要一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時鐘線SCL兩根線，SDA傳輸數(shù)據(jù)，每次傳輸8bit，即一字節(jié)，且先傳輸高bit，再傳輸?shù)蚥it。SCL是時鐘線，用于時鐘同步。

　?。?）I2C總線是一個真正的多主機總線。如果兩個或多個主機同時初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞，每個連接到總線上的器件都有的地址，任何器件既可以作為主機也可以作為從機，但任何時間點只能有一個主機?？偩€上每個設(shè)備都有自己的一個地址，通過地址方式尋址各個器件，共7個bit，理論上總線可掛載127個器件（全0為廣播地址），但一個系統(tǒng)中可能有多個同種芯片，因此地址又分為固定部分和可編程部份，具體視芯片而定。

　　（3）連接到總線上的芯片數(shù)量除受7bit地址限制外，還受總線電容的限制。

　?。?）串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標準模式下可達100Kbit/s，快速模式下可達400Kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。

　　二、工作原理

　　SDA和SCL都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出，使用時必須通過上拉電阻接到電源VCC．當總線空閑時，兩根線都是高電平，連接總線的所有器件輸出級都是開漏電路，從而在總線上消耗的電流很小。因此，總線上擴展的器件數(shù)量主要由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容．而線路中電容會影響總線傳輸速度。當電容過大時，有可能造成傳輸錯誤。由于其負載能力為400pF，因此可以估算出總線允許長度和所接器件數(shù)量。

　　總線上的器件由一個主器件和其他從器件組成。主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件．在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。如果主器件要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主器件首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，由主器件終止數(shù)據(jù)傳送；如果主器件要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件．然后主器件接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，由主器件終止接收過程。在這種情況下，主器件負責產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。

　　三、傳輸協(xié)議

　　位傳輸

　　數(shù)據(jù)位傳輸：SCL為高電平時，SDA線若保持穩(wěn)定，那么SDA上是在傳輸數(shù)據(jù)；若SDA發(fā)生跳變，則用來表示一個會話的開始或結(jié)束。數(shù)據(jù)改變：SCL為低電平時，SDA線才能改變傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位，具體如下圖所示。

　　開始和結(jié)束信號

　　開始信號：SCL為高電平時，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為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。其具體如下圖所示。

　　應(yīng)答信號

　　主設(shè)備每發(fā)送完8bit數(shù)據(jù)后等待從設(shè)備的ACK，即在第9個clk，讀取到SDA低電平為有效;主設(shè)備把clk拉低，并將sda換成輸入模式（上拉電阻，默認高電平）讀取第9位，clk再次拉高，讀取從設(shè)備發(fā)來的ACK。這里又分兩種情況：

　　1.寫操作：主設(shè)備把clk拉高，等待讀取ACK，從設(shè)備發(fā)現(xiàn)clk拉高后，就把sda拉低，告訴主設(shè)備，成功接收到8位數(shù)據(jù)。

　　2.讀操作：主設(shè)備發(fā)送芯片地址和寄存器地址，這兩個字節(jié)的ACK都是由從設(shè)備來拉低，同寫操作;從設(shè)備開始向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，clk為低時，sda變化，主設(shè)備clk拉高時讀取sda，ACK由主設(shè)備拉低;當從設(shè)備發(fā)送完一個字節(jié)后，主設(shè)備強制把ACK拉高，通知從設(shè)備不要需要再發(fā)了，從設(shè)備發(fā)現(xiàn)這個ACK沒有被拉低，認為主設(shè)備接收錯誤，也就結(jié)束發(fā)送了，當然從設(shè)備自己也知道這是一個字節(jié)。

　　標準寫流程

　　a）主器件產(chǎn)生開始信號

　　b）主器件發(fā)送從器件地址（7bit）和讀寫操作位0（1bit），改SDA為輸入，等待ACK

　　c）從器件發(fā)送ACK

　　d）主器件發(fā)送從器件寄存器地址（8bit），改SDA為輸入，等待ACK

　　e）從器件發(fā)送ACK

　　f）主器件發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit），即要寫入寄存器中的數(shù)據(jù)，改SDA為輸入，等待ACK

　　g）從器件發(fā)送ACK

　　h）上述第f步至第g步可以重復多次，即可以按順序?qū)懚鄠€寄存器

　　i）主器件產(chǎn)生停止信號，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

　　？標準讀流程

　　a）主器件產(chǎn)生開始信號

　　b）主器件發(fā)送從器件地址（7bit）和讀寫操作位0（1bit），改SDA為輸入，等待ACK

　　c）從器件發(fā)送ACK

　　d）主器件發(fā)送從器件寄存器地址（8bit），改SDA為輸入，等待ACK

　　e）從器件發(fā)送ACK

　　f）主器件產(chǎn)生開始信號

　　g）主器件發(fā)送從器件地址（7bit）和讀寫操作位1（1bit），改SDA為輸入，等待ACK

　　h）從器件發(fā)送ACK

　　i）從器件發(fā)生數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit），即寄存器中的值

　　j）主器件發(fā)送ACK

　　k）上述第i步至第j步可以重復多次，即可以按順序讀多個寄存器

　　l）主器件產(chǎn)生停止信號，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。