I2C總線時序與數(shù)據(jù)傳輸

1、1612 I2C總線時序與數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)I2C總線處在空閑狀態(tài)時，因為各設(shè)備都是開漏輸出，所以在上拉電阻的作用下，SDA和SCL均為高電平。I2C總線上啟動一次數(shù)據(jù)傳輸過程的標(biāo)志為主機發(fā)送的起始信號，起始信號的作用是通知從機準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，主機需要發(fā)送停止信號，通知從機停止接收。因此，一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程由從起始信號開始，到停止信號結(jié)束。同時這兩個信號也是啟動和關(guān)閉I“C設(shè)備的信號。圖162是I2C總線時序示意圖，圖中最左邊和最右邊給出了起始信號和停止信號的時序條件。起始信號時序：當(dāng)SCL為高電平時，SDA由高電平跳變到低電平。停止信號時序：當(dāng)SCL為高電平時，SDA由低電平跳變

2、到高電平。I2C總線規(guī)定，當(dāng)SCL為高電平時，SDA的電平必須保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)，只有當(dāng)SCL處在低電平時，才可以改變SDA的電平值，但起始信號和停止信號是特例。因此，當(dāng)SCL處于高電平時，SDA的任何跳變都會被識別成為一個起始信號或停止信號。因此在I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)信號線5DA的變化只能發(fā)生在SCL為低電平的期間內(nèi)。從圖162中間部分的時序中可以清楚地看到這一點。在I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送到SDA信號線上的數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，每個字節(jié)必須為8位，而且是高位在前，低位在后，每次發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量不受限制。但在這個數(shù)據(jù)傳輸過程中需要著重強調(diào)的是，當(dāng)發(fā)送方發(fā)送完每一字節(jié)后，都

3、必須等待接收方返回一個應(yīng)答響應(yīng)信號ACK，如圖163所示。響應(yīng)信號ACK寬度為1位，緊跟在8個數(shù)據(jù)位后面，所以發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)需要9個SCL時鐘脈沖。響應(yīng)時鐘脈沖也是由主機產(chǎn)生的，主機在響應(yīng)時鐘脈沖期間釋放SDA線，使其處在高電平(見圖163上面的信號)。而在響應(yīng)時鐘脈沖期間，接收方需要將SDA拉低，使SDA在響應(yīng)時鐘脈沖高電平期間保持穩(wěn)定的低電平(見圖163中間的信號)。實際上，圖163中上面和中間的兩個信號應(yīng)該“線與”后呈現(xiàn)在SDA上的。由于在這個過程中存在比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程，所以將它們分開便于在下面做更仔細的分析。主機控制驅(qū)動SCL，發(fā)送9個時鐘脈沖，前8個為傳輸數(shù)據(jù)所用，第9個為響應(yīng)時

4、鐘脈沖(見圖163下面的信號)。在前8個時鐘脈沖期間，發(fā)送方作為發(fā)送器，控制SI)A輸出8位數(shù)據(jù)到接收方。 1在前8個時鐘脈沖期間，接收方作為接收器，處在輸入的狀態(tài)下，檢測接收SDA上的6位數(shù)據(jù)。在第9個時鐘脈沖期間，發(fā)送方釋放SDA，此時發(fā)送方由先前的發(fā)送器轉(zhuǎn)換成為接 收器。在第9個時鐘脈沖期間，接收方則從先前的接收器轉(zhuǎn)換成為發(fā)送竭控制SDA，輸出 ACK信號。在第9個時鐘脈沖期間，發(fā)送方作為接收器，處在輸入的狀態(tài)下，檢測接收SDA上酌ACK信號。最后，發(fā)送和接收雙方都依據(jù)應(yīng)答信號的狀態(tài)(ACKnACK)，各自確定下一步的角色轉(zhuǎn)換，以及如何動作。在上面的分析過程中，使用了發(fā)送方和接收方來表示

5、通信的雙方，而沒有使用主機和從機的概念，這是因為數(shù)據(jù)的發(fā)送可以是主機，也可以是從機。因此，不管是主機作為接收方，還是從機為接收方，在響應(yīng)時鐘脈沖期間都必須回送應(yīng)答信號。應(yīng)答信號的狀態(tài)有2個：低電平用ACK表示，代表有應(yīng)答；高電平用nACK表示，代表天應(yīng)答。應(yīng)答信號在I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸過程中起著非常重要的作用，它將決定總線及連接在總線上設(shè)備下一步的狀態(tài)和動作。一旦在應(yīng)答信號上發(fā)生錯誤，例如接收方不按規(guī)定返回或返回不正確的應(yīng)答信號，以及發(fā)送方對應(yīng)答信號的誤判，都將造成總線通信的失敗。1613 I2C總線尋址與通信過程前面已經(jīng)介紹過I2C總線是支持多機通信的數(shù)據(jù)總線，每一個連接在總線上的從機設(shè)備或

6、器件都有一個唯一獨立的地址，以便于主機尋訪。I2C總線上的數(shù)據(jù)通信過程是由主機發(fā)起的，以主機控制總線，發(fā)出起始信號作為開始。在發(fā)送起始信號后，主機將發(fā)送一個用于選擇從機設(shè)備的地址字節(jié)，以尋址總線中的某一個從機設(shè)備，通知其參與同主機之間的數(shù)據(jù)通信。地址字節(jié)的格式如下：地址字節(jié)的高7位數(shù)據(jù)是主機呼叫的從機地址，第8位用于標(biāo)示緊接下來的數(shù)據(jù)傳輸方向：“0”表示要從機準(zhǔn)備接收主機下發(fā)數(shù)據(jù)(主機發(fā)送從機接收)；而“l(fā)，則表示主機向從機讀取數(shù)據(jù)(主機接收從機發(fā)送)。當(dāng)主機發(fā)出地址字節(jié)后，總線上所有的從機都將起始信號后的7位地址與自己的地址進行比較：如果相同，則該從機確認(rèn)自己被主機尋址；而那些本機地址與主機

7、下發(fā)的尋呼地址不匹配的從機，則繼續(xù)保持在檢測起始信號的狀態(tài)，等待下一個起始信號的到來。被主機尋址的從機，必須在第9個SCK時鐘脈沖期間拉低SDA，給出ACK回應(yīng)，以通知主機尋址成功。然后，從機將根據(jù)地址字節(jié)中第8他的指示，將自己轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角色(0從機接收器；1從機發(fā)送器)，參與接下來的數(shù)據(jù)傳輸過程。圖164所示為在I2C總線上一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖纠鼘崿F(xiàn)了簡單的操作：主機向從機讀取1字節(jié)。圖中描述了整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜窟^程，給出了I2C總線上的時序變化，SDA上的數(shù)據(jù)情況、以及發(fā)送、接收雙方相互轉(zhuǎn)換與控制SDA的過程。主機控制SDA。在I2C總線上產(chǎn)生起始信號，同時控制SCL，發(fā)送時鐘脈沖。在整

8、個傳輸過程中，SCL都是由主機控制的。主機發(fā)送器發(fā)送地址字節(jié)。地址字節(jié)的第8位為“1”。表示準(zhǔn)備向從機讀取數(shù)據(jù)。 主機在字節(jié)發(fā)送完成后，放棄對5DA的控制，進入接收檢測ACK的狀態(tài)。所有從機在起始信號后為從機接收器，接收地址字節(jié)，與自己地址比對。被尋址的從機在第9個SCL時鐘脈沖期間控制SDA將其拉低，給出ACK應(yīng)答。 主機檢測到從機的ACK應(yīng)答后、轉(zhuǎn)換成主機接收器。準(zhǔn)備接收從機發(fā)出的數(shù)據(jù)。 從機則根據(jù)第8位“1”的設(shè)定，在第2個字節(jié)的8個時鐘脈沖期間作為從機發(fā)送器控制SDA。發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后放棄對SDA的控制，進入接收檢測ACK的狀態(tài)。在第2個字節(jié)的8個傳輸時鐘脈沖期間，主機接收

9、器接收從機發(fā)出的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到d0位后，主機控制SDA，將其拉低，給出ACK應(yīng)答。從機接收檢測主機的ACK應(yīng)答c如果是ACK，則難備發(fā)送1個新的字節(jié)數(shù)據(jù)；如果是nACK，則轉(zhuǎn)入檢測下一個起始信號的狀態(tài)。在這個示例中，主機收到l字節(jié)數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)成主機發(fā)送器控制SDA，在發(fā)出ACK應(yīng)答信號后，馬上發(fā)出停止信號，通知本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。從機檢測到停止信號，轉(zhuǎn)入檢測下一個起始信號的狀態(tài)。以上介紹了I2C總線基本的特性、操作時序和通信規(guī)范，這些概念對了解、掌握、應(yīng)用I2C總線尤為重要。這是因為I2C總線在硬件連接上非常簡單，只要將所有器件和設(shè)備的SDA、SCL并在一起就可以了，但復(fù)雜的通信規(guī)范的實現(xiàn)，往往需要軟件的控制。盡管AVR的TWI接口在硬件層面上實現(xiàn)了更多的I2C底層協(xié)議和數(shù)據(jù)傳送與接收的功能，但對于什么時間發(fā)