I2C總線簡介(很經(jīng)典)

1、I2C總線簡介1. 概述：I²C 是Inter-Integrated Circuit的縮寫，發(fā)音為"eye-squared cee" or "eye-two-cee" , 它是一種兩線接口。I²C 只是用兩條雙向的線，一條 Serial Data Line (SDA) ，另一條Serial Clock (SCL)。SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。(邊沿觸發(fā))SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成"線與"關(guān)系。2. 輸出級

2、每一個I2C總線器件內(nèi)部的SDA、SCL引腳電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，引腳的輸出驅(qū)動與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開路的場效應(yīng)管，輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器，這種電路具有兩個特點：1)由于SDA、SCL為漏極開路結(jié)構(gòu)(OD)，因此它們必須接有上拉電阻,阻值的大小常為 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 時性能最好；當(dāng)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，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線"與"關(guān)系。2)引腳在輸出信號的同時還將引腳上的電平進(jìn)行檢測，檢測是否與剛才輸出一致，為"時鐘同步"和"

3、;總線仲裁"提供了硬件基礎(chǔ)。3. 主設(shè)備與從設(shè)備系統(tǒng)中的所有外圍器件都具有一個7位的"從器件專用地址碼"，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由使用者定義。主控器件通過地址碼建立多機(jī)通信的機(jī)制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個器件，其系統(tǒng)仍然為簡約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端必須是帶有CPU的邏輯模塊，在同一總線上同一時刻使能有一個主端，可以有多個從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容 400pF的限制。·· 主端主要用來驅(qū)動SCL line；· 從

4、設(shè)備對主設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)； 二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備控制的。  4.速率：普通模式：100kHz；快速模式：400kHz；高速模式：3.4MHz；沒有任何必要使用高速SCL，將SCL保持在100k或以下，然后忘了它吧。一、協(xié)議 1.空閑狀態(tài) I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號線同時處于高電平時，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時各個器件的輸出級場效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。 2.起始位與停止位的定義： · 起始信號：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動信號是一種電平跳變時序

5、信號，而不是一個電平信號。· 停止信號：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號也是一種電平跳變時序信號，而不是一個電平信號。3.ACK發(fā)送器每發(fā)送一個字節(jié)，就在時鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個應(yīng)答信號。 應(yīng)答信號為低電平時，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號為高電平時，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。 對于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個時鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。 如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節(jié)后，

6、發(fā)送一個NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個停止信號P。   如下圖邏輯分析儀的采樣結(jié)果：釋放總線后，如果沒有應(yīng)答信號，sda應(yīng)該一直持續(xù)為高電平，但是如圖中藍(lán)色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應(yīng)答信號。這里面給我們的兩個信息是：1)接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；2)應(yīng)答信號一直保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識所指出的那樣。 4.數(shù)據(jù)的有效性：  I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)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平期間，數(shù)據(jù)線上的

7、高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。 我的理解：雖然只要求在高電平期間保持穩(wěn)定，但是要有一個提前量，也就是數(shù)據(jù)在SCL的上升沿到來之前就需準(zhǔn)備好，因為在前面I2C總線之(一)-概述一文中已經(jīng)指出，數(shù)據(jù)是在SCL的上升沿打入到器件(EEPROM)中的。   5.數(shù)據(jù)的傳送： 在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個時鐘脈沖相對應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。 二、工作過程總線上的所有通信都是由主控器引發(fā)的。在一次通信中，主控器與被控器總是在扮演著兩種不同的角色。1.主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)主設(shè)

8、備發(fā)送起始位，這會通知總線上的所有設(shè)備傳輸開始了，接下來主機(jī)發(fā)送設(shè)備地址，與這一地址匹配的slave將繼續(xù)這一傳輸過程，而其它slave將會忽略接下來的傳輸并等待下一次傳輸?shù)拈_始。主設(shè)備尋址到從設(shè)備后，發(fā)送它所要讀取或?qū)懭氲膹脑O(shè)備的內(nèi)部寄存器地址； 之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送停止位：寫入過程如下：發(fā)送起始位· 發(fā)送從設(shè)備的地址和讀/寫選擇位；釋放總線，等到EEPROM拉低總線進(jìn)行應(yīng)答；如果EEPROM接收成功，則進(jìn)行應(yīng)答；若沒有握手成功或者發(fā)送的數(shù)據(jù)錯誤時EEPROM不產(chǎn)生應(yīng)答，此時要求重發(fā)或者終止。· 發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器地址；EEPROM對其發(fā)出應(yīng)答；&#

9、183; 發(fā)送數(shù)據(jù)· 發(fā)送停止位.· EEPROM收到停止信號后，進(jìn)入到一個內(nèi)部的寫入周期，大概需要10ms，此間任何操作都不會被EEPROM響應(yīng)；(因此以這種方式的兩次寫入之間要插入一個延時，否則會導(dǎo)致失敗，博主曾在這里小坑了一下)   詳細(xì)：需要說明的是：主控器通過發(fā)送地址碼與對應(yīng)的被控器建立了通信關(guān)系，而掛接在總線上的其它被控器雖然同時也收到了地址碼，但因為與其自身的地址不相符合，因此提前退出與主控器的通信； 2.主控器讀取數(shù)據(jù)的過程：讀的過程比較復(fù)雜，在從slave讀出數(shù)據(jù)前，你必須先要告訴它哪個內(nèi)部寄存器是你想要讀取的，因此必須先對其

10、進(jìn)行寫入(dummy write)：· 發(fā)送起始位；· 發(fā)送slave地址+write bit set；· 發(fā)送內(nèi)部寄存器地址；· 重新發(fā)送起始位，即restart；· 重新發(fā)送slave地址+read bit set；· 讀取數(shù)據(jù)主機(jī)接收器在接收到最后一個字節(jié)后，也不會發(fā)出ACK信號。于是，從機(jī)發(fā)送器釋放SDA線，以允許主機(jī)發(fā)出P信號結(jié)束傳輸。 · 發(fā)送停止位   詳細(xì)： 為了加深對I2C總線的理解，用C語言模擬IIC總線，邊看源代碼邊讀波形：如下圖所示的寫操作的時序圖： 讀時序的理解同理。對

11、于時序不理解的朋友請參考“I2C總線之(二)-時序”完整的程序如下： #include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define write_ADD 0xa0#define read_ADD 0xa1uchar a; sbit SDA=P20;sbit SCL=P21;void SomeNop(); /短延時void init(); /初始化void check_ACK(void)；void I2CStart(void);void I2cStop(void);void write

12、_byte(uchar dat);/寫字節(jié)void delay(uint z);uchar read_byte(); /讀字節(jié)void write(uchar addr,uchar dat); /指定地址寫uchar read(uchar addr); /指定地址讀bit flag; /應(yīng)答標(biāo)志位void main() init(); write_add(5,0xaa); /向地址5寫入0xaa delay(10); /延時,否則被坑呀！ P1=read_add(5); /讀取地址5的值 while(1); /* void delay()/簡單延時函數(shù) ; /* void start() /開

13、始信號 SCL在高電平期間，SDA一個下降沿則表示啟動信號 sda=1; /釋放SDA總線 delay(); scl=1; delay(); sda=0; delay(); /* void stop() /停止 SCL在高電平期間，SDA一個上升沿則表示停止信號 sda=0; delay(); scl=1; delay(); sda=1; delay(); /* void respons() /應(yīng)答 SCL在高電平期間，SDA被從設(shè)備拉為低電平表示應(yīng)答 uchar i; scl=1; delay(); /至多等待250個CPU時鐘周期 while(sda=1)&&(i<2

14、50)i+; scl=0; delay(); /* void init()/總線初始化 將總線都拉高一釋放總線 發(fā)送啟動信號前，要先初始化總線。即總有檢測到總線空閑才開始發(fā)送啟動信號 sda=1; delay(); scl=1; delay(); /* void write_byte(uchar date) /寫一個字節(jié) uchar i,temp; temp=date; for(i=0;i<8;i+) temp=temp<<1; scl=0;/拉低SCL，因為只有在時鐘信號為低電平期間按數(shù)據(jù)線上的高低電平狀態(tài)才允許變化；并在此時和上一個循環(huán)的scl=1一起形成一個上升沿 de

15、lay(); sda=CY; delay(); scl=1;/拉高SCL，此時SDA上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定 delay(); scl=0;/拉低SCL，為下次數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備 delay(); sda=1;/釋放SDA總線，接下來由從設(shè)備控制，比如從設(shè)備接收完數(shù)據(jù)后，在SCL為高時，拉低SDA作為應(yīng)答信號 delay(); /* uchar read_byte()/讀一個字節(jié) uchar i,k; scl=0; delay(); sda=1; delay(); for(i=0;i<8;i+) scl=1;/上升沿時，IIC設(shè)備將數(shù)據(jù)放在sda線上，并在高電平期間數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定，可以接收啦 delay

16、(); k=(k<<1)|sda; scl=0;/拉低SCL，使發(fā)送端可以把數(shù)據(jù)放在SDA上 delay(); return k; /* void write_add(uchar address,uchar date)/任意地址寫一個字節(jié) start();/啟動 write_byte(0xa0);/發(fā)送從設(shè)備地址 respons();/等待從設(shè)備的響應(yīng) write_byte(address);/發(fā)出芯片內(nèi)地址 respons();/等待從設(shè)備的響應(yīng) write_byte(date);/發(fā)送數(shù)據(jù) respons();/等待從設(shè)備的響應(yīng) stop();/停止 /* uchar read_add(uchar addr