I2C總線協(xié)議及工作原理

1、I2C總線協(xié)議及工作原理一、概述1、I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線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。I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時，兩根線均為高電平（SDL=1;SCL=1）。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、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"從器件專用位置碼"，其中高4位為器

2、件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義位置，由使用者定義。主控器件通過位置碼建立多機通信的機制，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)量受位置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。2、 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

3、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。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，總線就處于空閑狀態(tài)。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(wù)等，可能無法立刻接收下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉

4、成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個字節(jié)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)進(jìn)行。 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，發(fā)送一個NACK

5、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)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。 5.數(shù)據(jù)的傳送：

6、60;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)。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)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，接下來主機發(fā)送設(shè)備位置，與這一位置匹配的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)部寄存器位置； 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。（這段看不懂就

7、別看了，沒什么用）寫入過程如下：發(fā)送起始位1）發(fā)送從設(shè)備的位置和讀/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。2）發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器位置；EEPROM對其發(fā)出應(yīng)答；3）發(fā)送數(shù)據(jù)4）發(fā)送停止位.5）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)詳細(xì)：需要說明的是：主控器通過發(fā)送位置碼與對應(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位置碼，但因為與其自身的位置不相符合，因此提前退

8、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，因此必須先對其進(jìn)行寫入(dummy write)：1）發(fā)送起始位；2）發(fā)送slave位置+write bit set；3)發(fā)送內(nèi)部寄存器位置；4)重新發(fā)送起始位，即restart；5)重新發(fā)送slave位置+read bit set；6)讀取數(shù)據(jù)主機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，從機發(fā)送器釋放SDA線，以允許主機發(fā)出P信號結(jié)束傳輸。 7)發(fā)送停止位詳細(xì)：2、數(shù)據(jù)傳送格式（1）字節(jié)傳送與應(yīng)答每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)

9、傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。由于某種原因從機不對主機尋址信號應(yīng)答時（如從機正在進(jìn)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)生一個終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。如果從機對主機進(jìn)行了應(yīng)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第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機，主機則應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。當(dāng)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(jié)束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應(yīng)答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產(chǎn)生終止信

10、號。（2）數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括位置信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。在起始信號后必須傳送一個從機的位置（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結(jié)束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進(jìn)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)出起始信號對另一從機進(jìn)行尋址。 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：a、 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：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。 A表示應(yīng)答， 表示非應(yīng)

11、答（高電平）。S表示起始信號，P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)c、在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時，起始信號和從機位置都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。6、 總線的尋址I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7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)）。（1） 尋址字節(jié)的位定義D7D1位組成從機的位置。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。主機發(fā)送位置時，總線上的每個從機都將這7位位置碼與自己的位置進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。從機的位置由固定部分和可編程部

12、分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機位置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7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。（2）尋址字節(jié)中的特殊位置 固定位置編號0000和1111已被保留作為特殊用途。起始信號后的第一字節(jié)的8位為“0000 0000”時，稱為通用呼叫位置。通用呼叫位置的用意在第二字節(jié)中加以說明。格式為： 第二字節(jié)為 06H（0110）時，所有能響應(yīng)通用呼叫位置的從機器件復(fù)位，并由硬件裝入從機位置的可編程部分。能響應(yīng)命令的從機器件復(fù)位時不拉低SDA和SCL線，以免堵塞

13、總線。 第二字節(jié)為 04H（0100）時，所有能響應(yīng)通用呼叫位置并通過硬件來定義其可編程位置的從機器件將鎖定位置中的可編程位，但不進(jìn)行復(fù)位。如果第二字節(jié)的方向位B為“1”，則這兩個字節(jié)命令稱為硬件通用呼叫命令。在這第二字節(jié)的高7位說明自己的位置。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位置，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機使用時，也用這個位置作為從機位置。格式為： 在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復(fù)位時硬件主機器件工作在從機接收器方式，這時由系統(tǒng)中的主機先告訴硬件主機器件數(shù)據(jù)應(yīng)送往的從機器件位置，當(dāng)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。（3） 起始字節(jié)起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片機查詢I2C總線時使用的特殊字節(jié)。 不具備I2C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(yīng)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，I2C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(dǎo)。 引導(dǎo)過程由起始信號、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號（Sr）組成。請求訪問總線的主機發(fā)出起始信號后，發(fā)送起始字節(jié)