I2C總線通訊協(xié)議

新用戶8389DdzY 2021-09-24

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1. I2C總線簡介

I2C是Inter-Integrated Circuit的簡稱，讀作：I-squared-C。由飛利浦公司于1980年代提出，為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機用以連接低速周邊外部設(shè)備而發(fā)展。

主要用途：

SOC和周邊外設(shè)間的通信（如：EEPROM，電容觸摸芯片，各種Sensor等）。

1.1 物理接口

I2C總線只使用兩條雙向漏極開路的信號線（串行數(shù)據(jù)線：SDA，及串行時鐘線：SCL），并利用電阻上拉。I2C總線僅僅使用SCL、SDA兩根信號線，就實現(xiàn)了設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，極大地簡化了對硬件資源和PCB板布線空間的占用。I2C總線廣泛應(yīng)用在EEPROM、實時時鐘、LCD、及其他芯片的接口。I2C允許相當大的工作電壓范圍，典型的電壓基準為：+3.3V或+5V。

SCL（Serial Clock）：串行時鐘線，傳輸CLK信號，一般是主設(shè)備向從設(shè)備提供
SDA（Serial Data）：串行數(shù)據(jù)線，傳輸通信數(shù)據(jù)

I2C總線接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

I2C總線接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

I2C使用一個7bit的設(shè)備地址，一組總線最多和112個節(jié)點通信。最大通信數(shù)量受限于地址空間及400pF的總線電容。

常見的I2C總線以傳輸速率的不同分為不同的模式：標準模式（100Kbit/s）、低速模式（10Kbit/s）、快速模式（400Kbit/s）、高速模式（3.4Mbit/s），時鐘頻率可以被下降到零，即暫停通信。

該總線是一種多主控總線，即可以在總線上放置多個主設(shè)備節(jié)點，在停止位（P）發(fā)出后，即通訊結(jié)束后，主設(shè)備節(jié)點可以成為從設(shè)備節(jié)點。

主設(shè)備節(jié)點：產(chǎn)生時鐘并發(fā)起通信的設(shè)備節(jié)點
從設(shè)備節(jié)點：接收時鐘并響應(yīng)主設(shè)備節(jié)點尋址的設(shè)備節(jié)點

 1）I2C通信雙方地位不對等，通信由主設(shè)備發(fā)起，并主導(dǎo)傳輸過程，從設(shè)備按I2C協(xié)議接收主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并及時給出響應(yīng)。
 2）主設(shè)備、從設(shè)備由通信雙方?jīng)Q定（I2C協(xié)議本身無規(guī)定），既能當主設(shè)備，也能當從設(shè)備（需要軟件進行配置）。
 3）主設(shè)備負責(zé)調(diào)度總線，決定某一時刻和哪個從設(shè)備通信。同一時刻，I2C總線上只能有一對主設(shè)備、從設(shè)備通信。
 4）每個I2C從設(shè)備在I2C總線通訊中有一個I2C從設(shè)備地址，該地址唯一，是從設(shè)備的固有屬性，通信中主設(shè)備通過從設(shè)備地址來找到從設(shè)備。

I2C總線多主設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖所示：

I2C總線多主設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2 通訊特征

串行、同步、非差分、低速率

1）串行通信，所有的數(shù)據(jù)以位為單位在SDA線上串行傳輸
2）同步通信，即雙方工作在同一個時鐘下，一般是通信的A方通過一根CLK信號線，將A設(shè)備的時鐘傳輸?shù)紹設(shè)備，B設(shè)備在A設(shè)備傳輸?shù)臅r鐘下工作。同步通信的特征是：通信線中有CLK。
3）非差分，I2C通信速率不高，且通信距離近，使用電平信號通信。
4）低速率，I2C一般是同一個板子上的兩個IC芯片間通信，數(shù)據(jù)量不大，速率低。速率：幾百KHz，速率可能不同，不能超過IC的最高速率。

1.3 I2C總線狀態(tài)

I2C總線上有兩種狀態(tài)：

空閑態(tài)：沒有設(shè)備發(fā)生通信。
忙態(tài)：其中一個從設(shè)備和主設(shè)備通信，I2C總線被占用，其他從設(shè)備處于等待狀態(tài)。

2. I2C總線通信協(xié)議

時序：在通信中時序是通信線上按時間順序發(fā)生的電平變化，及這些電平變化對通信的意義。

每個通信周期都由一個起始位開始通信，由一個結(jié)束位結(jié)束通信，中間部分是傳遞的數(shù)據(jù)。

每個通信周期，主設(shè)備會先發(fā)8位的從設(shè)備地址（從設(shè)備地址由高7位的實際從設(shè)備地址和低1位的讀/寫標志位組成），主設(shè)備以廣播的形式發(fā)送從設(shè)備地址，I2C總線上的所有從設(shè)備收到地址后，判斷從設(shè)備地址是否匹配，不匹配的從設(shè)備繼續(xù)等待，匹配的設(shè)備發(fā)出一個應(yīng)答信號。

同一時刻，主設(shè)備、從設(shè)備只能有一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1 起始位和結(jié)束位

I2C總線通訊由起始位開始通訊，由結(jié)束位停止通訊，并釋放I2C總線。起始位和結(jié)束位都由主設(shè)備發(fā)出。
起始位（S）：在SCL為高電平時，SDA由高電平變?yōu)榈碗娖?br> 結(jié)束位（P）：在SCL為高電平時，SDA由低電平變?yōu)楦唠娖?/p>

如下圖所示：

I2C的起始位與停止位

2.2 數(shù)據(jù)格式與應(yīng)答

I2C數(shù)據(jù)以字節(jié)（即8bits）為單位傳輸，每個字節(jié)傳輸完后都會有一個ACK應(yīng)答信號。應(yīng)答信號的時鐘是由主設(shè)備產(chǎn)生的。

應(yīng)答（ACK）：拉低SDA線，并在SCL為高電平期間保持SDA線為低電平
非應(yīng)答（NOACK）：不要拉低SDA線（此時SDA線為高電平），并在SCL為高電平期間保持SDA線為高電平

在傳輸期間，如果從設(shè)備來不及處理主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，從設(shè)備會保持SCL線為低電平，強迫主設(shè)備等待從設(shè)備釋放SCL線，直到從設(shè)備處理完后，釋放SCL線，接著進行數(shù)據(jù)傳輸。

如下圖所示：

I2C的數(shù)據(jù)格式與應(yīng)答信號

2.3 數(shù)據(jù)傳輸通訊

1）寫數(shù)據(jù)

開始數(shù)據(jù)傳輸后，先發(fā)送一個起始位（S），主設(shè)備發(fā)送一個地址數(shù)據(jù)（由7bit的從設(shè)備地址，和最低位的寫標志位組成的8bit字節(jié)數(shù)據(jù)，該讀寫標志位決定數(shù)據(jù)的傳輸方向），然后，主設(shè)備釋放SDA線，并等待從設(shè)備的應(yīng)答信號（ACK）。每一個字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸都要跟一個應(yīng)答信號位。數(shù)據(jù)傳輸以停止位（P）結(jié)束，并且釋放I2C總線。

2）讀數(shù)據(jù)

開始通訊時，主設(shè)備先發(fā)送一個起始信號（S），主設(shè)備發(fā)送一個地址數(shù)據(jù)（由7bit的從設(shè)備地址，和最低位的寫標志位組成的8bit字節(jié)數(shù)據(jù)），然后，主設(shè)備釋放SDA線，并等待從設(shè)備的應(yīng)答信號（ACK），從設(shè)備應(yīng)答主設(shè)備后，主設(shè)備再發(fā)送要讀取的寄存器地址，從設(shè)備應(yīng)答主設(shè)備（ACK），主設(shè)備再次發(fā)送起始信號（Sr），主設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址（包含讀標志），從設(shè)備應(yīng)答主設(shè)備，并將該寄存器的值發(fā)送給主設(shè)備；

讀取單字節(jié)數(shù)據(jù)：
主設(shè)備要讀取的數(shù)據(jù)，如果是只有一個字節(jié)的數(shù)值，就要結(jié)束應(yīng)答，主設(shè)備要先發(fā)送一個非應(yīng)答信號（NOACK），再發(fā)送結(jié)束信號（P）；
讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)：
主設(shè)備要讀取的數(shù)據(jù)，如果是大于一個字節(jié)的多個數(shù)據(jù)，就發(fā)送ACK應(yīng)答信號（ACK），而不是非應(yīng)答信號（NOACK），然后主設(shè)備再次接收從設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，依次類推，直到主設(shè)備讀取的數(shù)值是最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，需要主設(shè)備給從設(shè)備發(fā)送非應(yīng)答信號（NOACK），再發(fā)送結(jié)束信號（P），結(jié)束I2C通訊，并釋放I2C總線。

I2C的數(shù)據(jù)傳輸