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(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。SCL:上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(hào)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(gè)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，

2、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(wú)論總線上掛接多少個(gè)器件，其系統(tǒng)仍然為簡(jiǎn)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(shí)刻使能有一個(gè)主端，可以有多個(gè)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(lái)驅(qū)動(dòng)SCLline；從設(shè)備對(duì)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。二、協(xié)議1空閑狀態(tài)I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管

3、均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)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(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。接收器件收到一個(gè)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(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收

4、下一個(gè)字節(jié)時(shí)，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(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡(jiǎn)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(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)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(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，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(gè)

5、停止信號(hào)P。sda應(yīng)該一直持續(xù)為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(hào)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(hào)。這里面給我們的兩個(gè)信息是：1）接收器在SCL的上升沿到來(lái)之前的低電平期間拉低SDA；2）應(yīng)答信號(hào)一直保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識(shí)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(shí)，時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘線上的信號(hào)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：在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下

6、，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(huì)通知總線上的所有設(shè)備傳輸開始了，接下來(lái)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(huì)忽略接下來(lái)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。（這段看不懂就別看了，沒什么用）寫入過程如下：發(fā)送起始位1）發(fā)送從設(shè)備的地址和讀/寫選擇位；釋放總線，等到EEPRO

7、M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(cuò)誤時(shí)EEPROM不產(chǎn)生應(yīng)答，此時(shí)要求重發(fā)或者終止。2）發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器地址；EEPROM對(duì)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(hào)后，進(jìn)入到一個(gè)內(nèi)部的寫入周期，大概需要10ms,此間任何操作都不會(huì)被EEPROM響應(yīng)詳細(xì)：需要說明的是：主控器通過發(fā)送地址碼與對(duì)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(shí)也收到了地址碼，但因?yàn)榕c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

8、哪個(gè)內(nèi)部寄存器是你想要讀取的，因此必須先對(duì)其進(jìn)行寫入（dummywrite）:1）發(fā)送起始位；2）發(fā)送slave地址+writebitset；3）發(fā)送內(nèi)部寄存器地址；4）重新發(fā)送起始位，即restart；5）重新發(fā)送slave地址+readbitset；6）讀取數(shù)據(jù)主機(jī)接收器在接收到最后一個(gè)字節(jié)后，也不會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)。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(hào)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(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)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(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)

9、答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)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(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。（2）數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址

10、（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T）,“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)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(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)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(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：S從機(jī)地址0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)A/云P注:有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。A表示應(yīng)答，表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即由從機(jī)讀數(shù)據(jù)S從機(jī)地址，1數(shù)據(jù)aA數(shù)

11、據(jù)心APc、在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。IS|從札地址10卜|紡|屈S恤覽址|1|沖鳩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(hào)后的第一個(gè)字節(jié))。(1)尋址字節(jié)的位定義D7D1位組成從機(jī)的地址。DO位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù),為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相

12、同的從機(jī)，從機(jī)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(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。(2)尋址字節(jié)中的特殊地址固定地址編號(hào)0000和1111已被保留作為特殊用途。S9-I卩C總綾恃艸地址眾R機(jī)意夬0006000匸通用呼口地址,0000；00山b0000-'00XdCBUS地址，00001心X*為平同總線忡保留地址"00001hX.000IXXXf1L1b1XX"X.1111j0XXjX*十也從機(jī)地如起始信號(hào)后的第一字節(jié)的8位為“00000000”時(shí)，稱為通

13、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：總線。第二字節(jié)為04H(0100)時(shí)，所有能響應(yīng)通用呼叫地址并通過硬件來(lái)定義其可編程地址的從機(jī)器件將鎖定地址中的可編程位，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(gè)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位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機(jī)或其他微處理器能識(shí)別這個(gè)地址，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機(jī)使用時(shí)，也用這個(gè)地址作為從機(jī)地址。格式為：S00000000A主機(jī)地址1扣數(shù)據(jù)A'1數(shù)據(jù)F在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)硬件主機(jī)器件工作在從機(jī)接收器方式，這時(shí)由系統(tǒng)中的主機(jī)先告訴硬件主機(jī)器件數(shù)據(jù)應(yīng)送往的從機(jī)器件地址，當(dāng)硬件主機(jī)器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就可以直接向指定從機(jī)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(jī)查詢I2C總線時(shí)使用的特殊字節(jié)。不具備I2C總線接口的單片機(jī)，則必須通過軟件不斷地檢測(cè)總線，以便及時(shí)地響應(yīng)總線的請(qǐng)求。單片機(jī)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(gè)較長(zhǎng)的起始過程加以引導(dǎo)。起始俑寸S取空越齡信號(hào)Sr引導(dǎo)過程由起始信號(hào)、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號(hào)（Sr）組成。請(qǐng)求訪問總線的主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后，發(fā)送起始字節(jié)（00000001