TWII2C總線技術(shù)-單片機(jī)

5.4兩線串行接口TWI5.4.1TWI主要特點

?簡單，但是強大而靈活的通訊接口，只需要兩根線?支持主機(jī)和從機(jī)操作?器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式?7位地址空間允許有128個從機(jī)?支持多主機(jī)仲裁?高達(dá)400kHz的數(shù)據(jù)傳輸率?可以抑制總線尖峰的噪聲抑制器?完全可編程的從機(jī)地址以及公共地址?睡眠時地址匹配可以喚醒AVR1、兩線串行接口總線定義

TWI協(xié)議允許系統(tǒng)設(shè)計者只用兩根雙向傳輸線就可以將128個不同的設(shè)備互連到一起。這兩根線一是時鐘SCL，一是數(shù)據(jù)SDA。外部硬件只需要兩個上拉電阻，每根線上一個。所有連接到總線上的設(shè)備都有自己的地址。TWI協(xié)議解決了總線仲裁的問題。圖5.9TWI總線的連接表5.5TWI詞匯2、TWI的電氣連接

從圖5.9可以看出，兩根線都通過上拉電阻與正電源連接，TWI兼容的器件的總線驅(qū)動都是漏極開路或集電極開路的，TWI器件輸出為“0”時，TWI總線會產(chǎn)生低電平。當(dāng)所有的TWI器件輸出為三態(tài)時，總線會輸出高電平，允許上拉電阻將電壓拉高。注意，為保證所有的總線操作，凡是與TWI總線連接的AVR器件必須上電。3、TWI的傳輸數(shù)據(jù)(位)

TWI總線上數(shù)據(jù)位的傳送與時鐘脈沖同步。時鐘線為高時，數(shù)據(jù)線電壓必須保持穩(wěn)定，除非在啟動與停止的狀態(tài)下。圖5.10數(shù)據(jù)有效性4、START/STOP狀態(tài)

主機(jī)啟動與停止數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)在總線上發(fā)出START信號啟動數(shù)據(jù)傳輸，在總線上發(fā)出STOP信號停止數(shù)據(jù)傳輸。在START與STOP狀態(tài)之間，需要假定總線忙，不允許其它主機(jī)控制總線，特例是在START與STOP狀態(tài)之間發(fā)出一個新的START狀態(tài)。如下所示，START與STOP狀態(tài)是在SCL線為高時，通過改變SDA電平來實現(xiàn)的。圖5.11啟動、停止和重啟動狀態(tài)5、地址數(shù)據(jù)包格式

在TWI總線上傳送的地址包均為9位，包括7位地址位、1位READ/WRITE控制位與1位應(yīng)答位。如果READ/WRITE為1，則執(zhí)行讀操作；否則執(zhí)行寫操作。從機(jī)被尋址后，必須在第九個SCL(ACK)周期通過拉低SDA作出應(yīng)答。若該從機(jī)忙或有其它原因無法響應(yīng)主機(jī)，則應(yīng)該在ACK周期保持SDA為高。然后主機(jī)可以發(fā)出STOP狀態(tài)或REPEATEDSTART狀態(tài)重新開始發(fā)送。地址包包括從機(jī)地址與分別稱為SLA+R或SLA+W的READ或WRITE位。6、數(shù)據(jù)包格式

在TWI總線上傳送的數(shù)據(jù)包為9位長，包括8位數(shù)據(jù)位及1位應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)傳送中，主機(jī)產(chǎn)生時鐘及START與STOP狀態(tài)，而接收器響應(yīng)接收。應(yīng)答是由從機(jī)在第9個SCL周期拉低SDA實現(xiàn)的。如果接收器使SDA為高，則發(fā)出NACK信號。接收器完成接收，應(yīng)該在收到最后的字節(jié)后發(fā)出NACK來告知發(fā)送器。圖5.13數(shù)據(jù)包格式7、將地址包和數(shù)據(jù)包組合為一個完整的傳輸過程

發(fā)送主要由START狀態(tài)、SLA+R/W、至少一個數(shù)據(jù)包及STOP狀態(tài)組成，可以利用SCL的線與功能來實現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的握手。從機(jī)延長SCL低電平的時間不會影響SCL高電平的時間，因為SCL高電平時間是由主機(jī)決定的。由上述可知，通過改變SCL的占空比可降低TWI數(shù)據(jù)傳送速度。

圖5.14說明了典型的數(shù)據(jù)傳送。注意SLA+R/W與STOP之間傳送的字節(jié)數(shù)由應(yīng)用程序的協(xié)議決定。圖5.14典型的數(shù)據(jù)傳送8、多主機(jī)總線系統(tǒng)，仲裁和同步

TWI協(xié)議允許總線上有多個主機(jī)。特別要注意的是即使有多個主機(jī)同時開始發(fā)生數(shù)據(jù)，也要保證發(fā)送正常進(jìn)行。多主機(jī)系統(tǒng)中有兩個問題：

只能允許一個主機(jī)完成傳送。當(dāng)其余主機(jī)失去選擇權(quán)后應(yīng)停止傳送，這個過程稱為仲裁。當(dāng)競爭中的主機(jī)發(fā)現(xiàn)其仲裁失敗，應(yīng)立即轉(zhuǎn)換到從機(jī)模式檢測是否被獲得總線控制權(quán)的的主機(jī)尋址。

不同的主機(jī)可能使用不同的SCL頻率。為保證傳送的一致性，必須設(shè)計一種同步主機(jī)時鐘，這會簡化仲裁過程。圖5.15多主機(jī)SCL的同步圖5.16兩主機(jī)之間的仲裁5.4.2TWI模塊綜述

TWI模塊由幾個子模塊組成，如圖5.17所示。所有位于粗線之中的寄存器可以通過AVR數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問。圖5.17TWI模塊概述5.4.3總線接口單元

該單元包括數(shù)據(jù)與地址移位寄存器TWDR，START/STOP控制器和總線仲裁判定硬件電路。(1)TWDR寄存器用于存放發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)或地址。除了8位的TWDR，總線接口單元還有一個寄存器，包含了用于發(fā)送或接收應(yīng)答的(N)ACK。

(2)START/STOP控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生和檢測TWI總線上的START、REPEATEDSTART與STOP狀態(tài)。5.4.4地址匹配單元地址匹配單元將檢測從總線上接收到的地址是否與TWAR寄存器中的7位地址相匹配。如果TWAR寄存器的TWI廣播應(yīng)答識別使能位TWGCE為“1”，從總線接收到的地址也會與廣播地址進(jìn)行比較。一旦地址匹配成功，控制單元將得到通知以進(jìn)行正確地響應(yīng)。5.4.5控制單元：

控制單元監(jiān)控TWI總線，并根據(jù)TWI控制寄存器TWCR的設(shè)置作出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)TWI總線上產(chǎn)生需要應(yīng)用程序干預(yù)處理的事件時，TWI中斷標(biāo)志位TWINT置位。在下一個時鐘周期，TWI狀態(tài)寄存器TWSR被表示這個事件的狀態(tài)碼字所更新。在其它時間里，TWSR的內(nèi)容為一個表示無事件發(fā)生的特殊狀態(tài)字。一旦TWINT標(biāo)志位置“1”，時鐘線SCL即被拉低，暫停TWI總線上的數(shù)據(jù)傳輸，讓用戶程序處理事件。1、TWI寄存器設(shè)置（1）TWI比特率寄存器（TWBR）Bits7..0–TWI比特率寄存器TWBR為比特率發(fā)生器分頻因子。比特率發(fā)生器是一個分頻器，在主機(jī)模式下產(chǎn)生SCL時鐘頻率。（2）TWI控制寄存器（TWCR）Bit7–TWINT:TWI中斷標(biāo)志Bit6–TWEA:使能TWI應(yīng)答B(yǎng)it5–TWSTA:TWISTART狀態(tài)標(biāo)志Bit4–TWSTO:TWISTOP狀態(tài)標(biāo)志Bit3–TWWC:TWI寫碰撞標(biāo)志Bit2–TWEN:TWI使能Bit1–Res:保留Bit0–TWIE:使能TWI中斷（3）TWI狀態(tài)寄存器（TWSR）Bits7..3–TWS:TWI狀態(tài)Bit2–Res:保留Bits1..0–TWPS:TWI預(yù)分頻位（4）TWI數(shù)據(jù)寄存器（TWDR）Bits7..0–TWD:TWI數(shù)據(jù)寄存器（5）TWI(從機(jī))地址寄存器（TWAR）?Bits7..1–TWA:TWI從機(jī)地址寄存器其值為從機(jī)地址。?Bit0–TWGCE:使能TWI廣播識別置位后MCU可以識別TWI總線廣播。5.4.6使用TWI

AVR的TWI接口是面向字節(jié)和基于中斷的。所有的總線事件，如接收到一個字節(jié)或發(fā)送了一個START信號等，都會產(chǎn)生一個TWI中斷。 由于TWI接口是基于中斷的，因此TWI接口在字節(jié)發(fā)送和接收過程中，不需要應(yīng)用程序的干預(yù)。

TWCR寄存器的TWI中斷允許TWIE位和SREG寄存器的全局中斷允許位一起決定了應(yīng)用程序是否響應(yīng)TWINT標(biāo)志位產(chǎn)生的中斷請求。TWI數(shù)據(jù)傳輸過程中的規(guī)則總結(jié)如下：

當(dāng)TWI完成一次操作并等待反饋時，TWINT標(biāo)志置位。直到TWINT清零，時鐘線SCL才會拉低。

TWINT標(biāo)志置位時，TWDR寄存器必須載入下一個總線周期中要發(fā)送的值。當(dāng)所有的TWI寄存器得到更新，而且其它掛起的應(yīng)用程序也已經(jīng)結(jié)束，TWCR被寫入數(shù)據(jù)。寫TWCR時，TWINT位應(yīng)為置位狀態(tài)。對TWINT寫“1”清除此標(biāo)志。TWI將開始執(zhí)行由TWCR設(shè)定的操作。1、數(shù)據(jù)傳輸模式

TWI可工作于4個不同的模式：主機(jī)發(fā)送器(MT)、主機(jī)接收器(MR)、從機(jī)發(fā)送器(ST)及從機(jī)接收器(SR)。同一應(yīng)用程序可以使用幾種模式。2、主機(jī)發(fā)送模式在主機(jī)發(fā)送模式，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 為進(jìn)入主機(jī)模式，必須發(fā)送START信號。緊接著的地址包格式?jīng)Q定進(jìn)入MT或MR模式。如果發(fā)送SLA+W進(jìn)入MT模式；如果發(fā)送SLA+R則進(jìn)入MR模式。 本節(jié)所提到的狀態(tài)字均假設(shè)其預(yù)分頻位為“0”。圖5.18主機(jī)發(fā)送模式下的數(shù)據(jù)傳輸（1）通過在TWCR寄存器中寫入下列數(shù)值發(fā)出START信號：TWEN必須置位以使能兩線接口TWSTA必須置“1”來發(fā)出START信號TWINT必須置“1”來對TWINT標(biāo)志清零

TWI邏輯開始檢測串行總線，一旦總線空閑就發(fā)送START。接著中斷標(biāo)志TWINT置位，TWSR的狀態(tài)碼為0x08。（2）為進(jìn)入MT模式，必須發(fā)送SLA+W，可對TWDR寫入SLA+W來實現(xiàn)。完成此操作后軟件清零TWINT標(biāo)志，TWI傳輸繼續(xù)進(jìn)行。 在TWCR寄存器中寫入下述值完成此操作：當(dāng)SLA+W發(fā)送完畢并接收到確認(rèn)信號，主機(jī)的TWINT標(biāo)志再次置位。 此時主機(jī)的TWSR狀態(tài)碼可能是0x18、0x20或0x38。 SLA+W發(fā)送成功后可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過對TWDR寫入數(shù)據(jù)實現(xiàn)。

（3）TWDR只有在TWINT為高時方可寫入。否則，訪問被忽略，寄存器TWCR的寫碰撞位TWWC置位。 TWDR更新后，TWINT位應(yīng)清零后繼續(xù)傳送。 通過對TWCR寄存器中寫入下述值完成操作：（4）這過程會一直重復(fù)下去，直到最后的字節(jié)發(fā)送完且發(fā)送器產(chǎn)生STOP或REPEATEDSTART信號。STOP信號通過在TWCR中寫入下述值實現(xiàn)：（5）在REPEATEDSTART(狀態(tài)0x10)后，兩線接口可以再次訪問相同的從機(jī)，或不發(fā)送STOP信號來訪問新的從機(jī)。REPEATEDSTART使得主機(jī)可以在不丟失總線控制的條件下在從機(jī)、主機(jī)發(fā)送器及主機(jī)接收器模式間進(jìn)行切換。 REPEATEDSTART信號通過在TWCR中寫入下述值實現(xiàn)：表：主機(jī)發(fā)送模式的狀態(tài)碼表

主機(jī)發(fā)送模式的狀態(tài)碼(續(xù)表)典型數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用程序與TWI的接口（數(shù)據(jù)手冊P171）3、主機(jī)接收模式

在主機(jī)接收模式，主機(jī)可以從從機(jī)接收數(shù)據(jù)。 為進(jìn)入主機(jī)模式，必須發(fā)送START信號。緊接著的地址包格式?jīng)Q定進(jìn)入MT或MR模式。如果發(fā)送SLA+W進(jìn)入MT模式；如果發(fā)送SLA+R則進(jìn)入MR模式。

表：主機(jī)接收模式的狀態(tài)碼表

主機(jī)接收模式的狀態(tài)碼(續(xù)表)4、從機(jī)發(fā)送模式如圖5.20：從機(jī)發(fā)送模式下的數(shù)據(jù)傳輸（1）啟動從機(jī)發(fā)送模式，TWAR與TWCR設(shè)置：（2）前7位是主機(jī)尋址時從機(jī)響應(yīng)的TWI接口地址。若LSB置位，則TWI接口響應(yīng)廣播地址0x00。否則忽略廣播地址。TWEN必須置位以使能TWI接口。TWEA也要置位以便主機(jī)尋址到自己(從機(jī)地址或廣播)時返回確認(rèn)信息ACK。TWSTA和TWSTO必須清零。初始化TWAR和TWCR之后，TWI接口即開始等待，直到自己的從機(jī)地址(或廣播地址，如果TWAR的TWGCE置位的話)出現(xiàn)在主機(jī)尋址地址當(dāng)中，并且數(shù)據(jù)方向位為“1”(讀)。然后TWI中斷標(biāo)志置位，TWSR則包含了相應(yīng)的狀態(tài)碼。

如果在傳輸過程中TWEA復(fù)位，TWI接口發(fā)送完數(shù)據(jù)之后進(jìn)入狀態(tài)0xC0或0xC8。接口也切換到未尋址從機(jī)模式，忽略任何后續(xù)總線傳輸。從而主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)全為“1”。如果主機(jī)需要附加數(shù)據(jù)位(通過發(fā)送ACK)，即使從機(jī)已經(jīng)傳送結(jié)束，也進(jìn)入狀態(tài)0xC8。

TWEA復(fù)位時TWI接口不再響應(yīng)自己的從機(jī)地址，但是會繼續(xù)監(jiān)視總線。一旦TWEA置位就可以恢復(fù)地址識別和響應(yīng)。也就是說，可以利用TWEA暫時將TWI接口從總線中隔離出來。

在除空閑模式外的其它休眠模式時，TWI接口的時鐘被關(guān)閉。若使能了從機(jī)接收模式，接口將利用總線時鐘繼續(xù)響應(yīng)廣播地址/從機(jī)地址。地址匹配將喚醒CPU。在喚醒期間，TWI接口將保持SCL為低電平，直至TWCINT標(biāo)志清零。

當(dāng)AVR時鐘恢復(fù)正常運行后可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。顯然如果AVR設(shè)置為長啟動時間，時鐘線SCL可能會長時間保持低，阻塞其它數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)MCU從這些休眠模式喚醒時，和正常工作模式不同的是，數(shù)據(jù)寄存器TWDR的數(shù)據(jù)并不反映總線上出現(xiàn)的最后一個字節(jié)。表5.9：從機(jī)發(fā)送模式的狀態(tài)碼其他狀態(tài)：有兩個狀態(tài)碼沒有相應(yīng)的TWI狀態(tài)定義。狀態(tài)0xF8表明當(dāng)前沒有相關(guān)信息，因為中斷標(biāo)志TWINT為“0”。狀態(tài)0x00表示在串行傳輸過程中發(fā)生了總線錯誤。當(dāng)START或STOP出現(xiàn)在錯誤的位置時總線錯誤就會發(fā)生。這將導(dǎo)致TWI接口進(jìn)入未尋址從機(jī)模式、標(biāo)志TWSTO被清零(TWCR的其他位不受影響)，以及SDA和SCL被釋放，但是不會產(chǎn)生STOP。表5.10其它狀態(tài)碼將幾個TWI模式組合到一起：在某些情況下，為完成期望的工作，必須將幾種TWI模式組合起來。例如從串行EEPROM讀取數(shù)據(jù)。典型的這種傳輸包括以下步驟：

1.傳輸必須啟動

2.必須告訴EEPROM讀取的位置

3.必須完成讀操作

4.傳送必須結(jié)束注意數(shù)據(jù)可從主機(jī)傳到從機(jī)，反之也可。首先主機(jī)必須告訴讀從機(jī)讀取實際的位置，因此需要使用MT模式；然后數(shù)據(jù)必須由從機(jī)讀出，需要使用MR模式，但傳送方向必須改變。在上述步驟中，主機(jī)必須保持對總線的控制，且以上各步驟應(yīng)該自動進(jìn)行。如果在多主機(jī)系統(tǒng)中違反這一規(guī)則，即在第二步與第三步之間其它主機(jī)改變EEPROM中的數(shù)據(jù)指針，則主機(jī)讀取的數(shù)據(jù)位置是錯誤的。傳送方向改變是通過在發(fā)送地址字節(jié)與接收數(shù)據(jù)之間發(fā)送REPEATEDSTART信號來實現(xiàn)的。在發(fā)送REPEATEDSTART信號后，主機(jī)繼續(xù)保持總線的控制權(quán)。下圖給出傳送的流程圖（從機(jī)讀流程）。幾種TWI模式聯(lián)合訪問串行EEPROM多主機(jī)系統(tǒng)和仲裁如果有多個主機(jī)連接在同一總線上，它們中的一個或多個也許會同時開始一個數(shù)據(jù)傳送。TWI協(xié)議確保在這種情況下，通過一個仲裁過程，允許其中的一個主機(jī)進(jìn)行傳送而不會丟失數(shù)據(jù)。總線仲裁的例子如下所述，該例中有兩個主機(jī)試圖向從接收器發(fā)送數(shù)據(jù)。圖5.22仲裁示例有幾種不同的情況會產(chǎn)生總線仲裁過程：?兩個或更多的主機(jī)同時與一個從機(jī)進(jìn)行通信。在這種情況下，無論主機(jī)或從機(jī)都不知道有總線的競爭。兩個或更多的主機(jī)同時對同一個從機(jī)進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)或方向的訪問。在這種情況下，會在READ/WRITE位或數(shù)據(jù)間發(fā)生仲裁。主機(jī)試圖在SDA線上輸出一個高電平時，如果其他主機(jī)已經(jīng)輸出“0”，則該主機(jī)在總線仲裁中失敗。失敗的主機(jī)將轉(zhuǎn)換成未被尋址的從機(jī)模式，或等待總線空閑后發(fā)送一個新的START信號，這由應(yīng)用程序決定。?兩個或更多的主機(jī)訪問不同的從機(jī)。在這種情況下，總線仲裁在SLA發(fā)生。主機(jī)試圖在SDA線上輸出一個高電平時，如有其它主機(jī)已經(jīng)輸出“0”，則該主機(jī)將在總線仲裁中失敗。在SLA總線仲裁失敗的主機(jī)將切換到從機(jī)模式，并檢查自己是否被獲得總線控制權(quán)的主機(jī)尋址。如果被尋址，它將進(jìn)入SR或ST模式，這取決于SLA的READ/WRITE位的值。如果它未被尋址，將轉(zhuǎn)換到未被尋址的從機(jī)模式或等待總線空閑，發(fā)送一個新的START信號，這由應(yīng)用程序決定。例5.14在讀方式下往從器件寫入一個地址字節(jié)。voidf_I2cWriteAdd_R(unsignedcharuc_I2CAdd)//寫從器件地址和讀方式{TWDR=(uc_I2CAdd);TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN)；//寫數(shù)據(jù)到TWDRwhile(!(TWCR&(1<<TWINT);if(TWSR&0xf8!=0x40)error();}例5.15往從器件寫入一個數(shù)據(jù)字節(jié)。voidf_I2cWriteData_R(unsignedcharuc_I2CData)//寫從器件數(shù)據(jù){TWDR=(uc_I2CData);TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN)//寫數(shù)據(jù)到TWDRwhile(!(TWCR&(1<<TWINT);if(TWSR&0xf8!=0x28)error();}例5.16讀從器件，返回節(jié)