串行總線的組成及工作原理

1、I2C串行總線的組成及工作原理串行總線的組成及工作原理8.1 I2C串行總線的組成及工作原理串行總線的組成及工作原理采用串行總線技術可以使系統(tǒng)的硬件設計大大采用串行總線技術可以使系統(tǒng)的硬件設計大大簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時，系簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時，系統(tǒng)的更改和擴充極為容易。統(tǒng)的更改和擴充極為容易。常用的串行擴展總線有：常用的串行擴展總線有： I2C （Inter IC BUS）總線、總線、單總線單總線（1WIRE BUS）、）、SPI（Serial Peripheral Interface）總線及）總線及Microwire/PLUS等。等。 本章僅討論本章僅討論I

2、2C串行總線。串行總線。8.1.1 8.1.1 I2C串行總線概述串行總線概述 I2C總線是總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。性能串行總線。 I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另，另一根是時鐘線一根是時鐘線SCL。 I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線均總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總為高電平。連到總

3、線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的線的信號變低，即各器件的SDA及及SCL都是線都是線“與與”關系關系。 每個接到每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器接收器。 在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂， I2C總線要通總線要通過

4、總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。 在在80C51單片機應用系統(tǒng)的串行總線擴展中，單片機應用系統(tǒng)的串行總線擴展中，我們經(jīng)常遇到的是以我們經(jīng)常遇到的是以80C51單片機為主機，其它單片機為主機，其它接口器件為從機的單主機情況。接口器件為從機的單主機情況。 一、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定一、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定 I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時，總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電時鐘線上的信號為低電平期間平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。，數(shù)

5、據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。8.1.2 8.1.2 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送總線的數(shù)據(jù)傳送二、起始和終止信號二、起始和終止信號 SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由高電平向低電線由高電平向低電平的變化表示起始信號；平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。線由低電平向高電平的變化表示終止信號。 起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

6、 連接到連接到I2C總線上的器件，若具有總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件接總線硬件接口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線在每個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次采樣兩次。 接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務等，可能無法立刻接收一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節(jié)，這時接

7、收器件可以將下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時，再釋放時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進行。進行。 三、數(shù)據(jù)傳送格式三、數(shù)據(jù)傳送格式（1）字節(jié)傳送與應答）字節(jié)傳送與應答 每一個字節(jié)必須保證是每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有隨一位應答位（即一

8、幀共有9位）。位）。 由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機產(chǎn)生一個終止信號它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機產(chǎn)生一個終止信號以結束總線的數(shù)據(jù)傳送。以結束總線的數(shù)據(jù)傳送。 如果從機對主機進行了應答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后如果從機對主機進行了應答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從機可以通過對無法接收的無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從機可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應答非應

9、答”通知主機，主機則應發(fā)出終通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。止信號以結束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。 當主機接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須當主機接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答非應答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA線，以允許主線，以允許主機產(chǎn)生終止信號。機產(chǎn)生終止信號。（2）數(shù)據(jù)幀格式）數(shù)據(jù)幀格式 I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信

10、號。 在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：組合方式： 在起始信號后必須傳送一個從機的地址（在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），位），第第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用），用“0”表示主機表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)（發(fā)送數(shù)據(jù)（T），），“1”表示主機接收數(shù)據(jù)（表示主機接收數(shù)據(jù)（R）。每）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結束。但是，次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(shù)據(jù)傳送，則可若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一以不

11、產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進行尋址。從機進行尋址。 a、主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整、主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個傳送過程中不變：個傳送過程中不變：注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送，無陰影部分則注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送。表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送。 A表示應答，表示應答， 表示非應答（高電平）。表示非應答（高電平）。S表示起始信號，表示起始信號，P表示終止信號。表示終止信號。b、主機在第一個字節(jié)后，立即由從機讀數(shù)據(jù)、主機在第一個字節(jié)后，立即由從機讀數(shù)據(jù)c、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，、在傳送過程

12、中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但兩次讀兩次讀/寫方向位正好反相。寫方向位正好反相。四、總線的尋址四、總線的尋址 I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）。節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）。 （1）尋址字節(jié)的位定義）尋址字節(jié)的位定義 D7D1位組成從機的地址。位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為據(jù)，為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。主機發(fā)送地

13、址主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據(jù)則認為自己正被主機尋址，根據(jù)R/位將自己確位將自己確定為發(fā)送器或接收器定為發(fā)送器或接收器。從機的地址從機的地址由固定部分和可編程部分組成。由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機的器件的最大數(shù)目。如一個從機的7位尋址位有位尋址位有4位是固定位，位是固

14、定位，3位是可編程位，這時僅能尋位是可編程位，這時僅能尋址址8個同樣的器件，即可以有個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件個同樣的器件接入到該接入到該I2C總線系統(tǒng)中總線系統(tǒng)中。（2）尋址字節(jié)中的特殊地址）尋址字節(jié)中的特殊地址 固定地址編號固定地址編號0000和和1111已被保留作為特已被保留作為特殊用途。殊用途。 起始信號后的第一字節(jié)的起始信號后的第一字節(jié)的8位為位為“0000 0000”時，時，稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)中加以說明。格式為：中加以說明。格式為： 第二字節(jié)為第二字節(jié)為 06H時，所有能響應通用呼叫地址的從機器件時

15、，所有能響應通用呼叫地址的從機器件復位，并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的復位，并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的從機器件復位時不拉低從機器件復位時不拉低SDA和和SCL線，以免堵塞總線。線，以免堵塞總線。 第二字節(jié)為第二字節(jié)為 04H時，所有能響應通用呼叫地址并通過硬件時，所有能響應通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位，來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位，但不進行復位。但不進行復位。 如果第二字節(jié)的方向位如果第二字節(jié)的方向位B為為“1”，則這兩個字節(jié)命令稱，則這兩個字節(jié)命令稱為硬件通用呼叫命令。為硬件通用呼叫命令。

16、在這第二字節(jié)的高在這第二字節(jié)的高7位說明自己的地址。接在總線上的智位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，并與能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機使用時，也用這個地址之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機使用時，也用這個地址作為從機地址。格式為：作為從機地址。格式為： 在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復位時硬件主機在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復位時硬件主機器件工作在從機接收器方式，這時由系統(tǒng)中的主機器件工作在從機接收器方式，這時由系統(tǒng)中的主機先告訴硬件主機器件數(shù)據(jù)應送往的從機器件地址，先告訴硬件主機器件數(shù)據(jù)應送往的從機器件地

17、址，當硬件主機器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時就可以直接向指定從當硬件主機器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時就可以直接向指定從機器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。機器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。（3）起始字節(jié)）起始字節(jié) 不具備不具備I2C總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個較長的起始過程加以引導。的數(shù)據(jù)傳送要由一個較長的起始過程加以引導。 起始字節(jié)是提供給沒有起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片

18、機查詢總線接口的單片機查詢I2C總總線時使用的特殊字節(jié)。線時使用的特殊字節(jié)。 引導過程由起始信號、起始字節(jié)、應答位、引導過程由起始信號、起始字節(jié)、應答位、重復起始信號（重復起始信號（Sr）組成。）組成。請求訪問總線的主機發(fā)出起始信號后，發(fā)送起始字請求訪問總線的主機發(fā)出起始信號后，發(fā)送起始字節(jié)（節(jié)（0000 0001），另一個單片機可以用一個比較低），另一個單片機可以用一個比較低的速率采樣的速率采樣SDA線，直到檢測到起始字節(jié)中的線，直到檢測到起始字節(jié)中的7個個“0”中的一個為止。在檢測到中的一個為止。在檢測到SDA線上的高電平后，線上的高電平后，單片機就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同單片

19、機就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號使用的第二個起始信號步信號使用的第二個起始信號Sr。在起始信號后的應答時鐘脈沖僅僅是為了和總線所在起始信號后的應答時鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個脈沖期間作使用的格式一致，并不要求器件在這個脈沖期間作應答。應答。 8.2 80C51單片機單片機I2C串行總線器件的接口串行總線器件的接口一、典型信號模擬一、典型信號模擬 為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標準的為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標準的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴格的時序要求?？偩€的數(shù)據(jù)傳送有嚴格的時序要求。I2C總總線的起始信號、終止信號、發(fā)送線的起始信號、終止信號、發(fā)送“0”

20、及發(fā)及發(fā)送送“1”的模擬時序的模擬時序 ： 8.2.1 8.2.1 總線數(shù)據(jù)傳送的模擬總線數(shù)據(jù)傳送的模擬 主機可以采用不帶主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，如總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現(xiàn)等單片機，利用軟件實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬?？偩€的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬。 二、典型信號模擬子程序二、典型信號模擬子程序（1）起始信號）起始信號Void T2CStart(void)SomeNop( );SCL = 1;SomeNop( );SDA = 0;SomeNop( );SCL = 0;SomeNop( );（2

21、）終止信號）終止信號void I2cStop(void)SDA = 0;SomeNop( );SCL = 1;SomeNop( );SDA = 1;SomeNop( );SCL = 0; 8.2.2 8.2.2 I2C總線器件的擴展總線器件的擴展一、一、擴展電路擴展電路 二、串行二、串行E2PROM的擴展的擴展 （1）串行）串行E2PROM典型產(chǎn)品典型產(chǎn)品 AT24C01：128字節(jié)（1288位）； AT24C02：256字節(jié)（2568位）；AT24C04：512字節(jié)（5128位）AT24C08：1K字節(jié)（1K8位）；AT24C16：2K字節(jié)（2K8位）； ATMEL公司的公司的AT24C系列

22、：系列： （2）寫入過程）寫入過程 AT24C系列系列E2PROM芯片地址的固定部分為芯片地址的固定部分為1010，A2、A1、A0引腳接高、低電平后得到確定引腳接高、低電平后得到確定的的3位編碼。形成的位編碼。形成的7位編碼即為該器件的地址碼。位編碼即為該器件的地址碼。 單片機進行寫操作時，首先發(fā)送該器件的單片機進行寫操作時，首先發(fā)送該器件的7位地位地址碼和寫方向位址碼和寫方向位“0”（共（共8位，即一個字節(jié)），發(fā)位，即一個字節(jié)），發(fā)送完后釋放送完后釋放SDA線并在線并在SCL線上產(chǎn)生第線上產(chǎn)生第9個時鐘信個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址后，號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址后，在在SDA線上產(chǎn)生一個應答信號作為相應，單片機收線上產(chǎn)生一個應答信號作為相應，單片機收到應答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。到應答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。 傳送數(shù)據(jù)時，單片機首先發(fā)送一個字節(jié)的被寫入器件的傳送數(shù)據(jù)時，單片機首先發(fā)送一個字節(jié)的被寫入器件的存儲區(qū)的首地址，收到存儲器器件的應答后，單片機就逐個存儲區(qū)的首地址，收到存儲器器件的應答后，單片機就逐個發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個字節(jié)后都要等待應答。發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個字節(jié)后都要等待應答。 AT2