超全！UART、SPI、I2C通信協(xié)議入門教程

亮劍7mgtxtuz0o 2023-05-25 發(fā)布于江蘇

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I2C通信協(xié)議基礎(chǔ)

3.1 通信簡介

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，是由飛利浦公司在1980年代初設(shè)計(jì)的，方便了主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)與周邊設(shè)備組件之間的通訊。由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設(shè)備，EEPROM等之間的通信。結(jié)合了SPI和UART的最佳功能。使用，您可以將多個(gè)從機(jī)連接到單個(gè)主機(jī)（類似 SPI），另外，您可以讓多個(gè)主機(jī)控制單個(gè)或多個(gè)從機(jī)。當(dāng)您希望多個(gè)微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個(gè)存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個(gè) LCD 時(shí)，這個(gè)特性就非常有用了。與UART 通信一樣，僅使用兩根電線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)：

SDA (Serial Data) – 這條線為主機(jī)和從機(jī)提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。

SCL (Serial Clock) – 這條線為時(shí)鐘信號線。

與 SPI 一樣，I2C 是同步的，因此位的輸出通過主機(jī)和從機(jī)之間共享的時(shí)鐘信號同步到位的采樣。時(shí)鐘信號總是由主機(jī)控制。

使用線數(shù)	2
最大速度	標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard mode） =100kbps
	快速模式（Fast mode） =400kbps
	高速模式（High speed mode）=3.4Mbps
	超快速模式（Ultra fast mode）=5Mbps
同步/異步	同步
串行/并行	串行
最大主機(jī)數(shù)	不限制
最大從機(jī)數(shù)	1008

3.2 的工作原理（HOW WORKS）

使用，數(shù)據(jù)在消息中傳輸。消息被分解成數(shù)據(jù)幀。每條消息都有一個(gè)地址幀，其中包含從機(jī)的二進(jìn)制地址，以及一個(gè)或多個(gè)包含正在傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。該消息還包括每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的啟動和停止條件、讀/寫位以及ACK/NACK位：

啟動條件（StartCondition）：SDA 線在SCL線從高到低切換之前從高電位切換到低電位。

停止條件（StopCondition）：SDA 線在SCL線從低到高切換之后從低電位切換到高電位。

地址幀（AddressFrame）：每個(gè)從機(jī)都有唯一的7位或10位數(shù)列，主機(jī)可以通過該序列識別從機(jī)，主機(jī)如果需要向從機(jī)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應(yīng)從機(jī)的地址，然后會匹配總線上掛載的從機(jī)的地址。

讀/寫位（Read/Write Bit）：指定主機(jī)是向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（低電位）還是請求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（高電位）的1個(gè)位。

ACK/NACK位（ACK/NACK Bit）：在一條消息中，每一幀后都跟隨1個(gè)確認(rèn)應(yīng)答(ACK)/非確認(rèn)應(yīng)答(NACK)位。如果一個(gè)地址幀或數(shù)據(jù)幀是被成功接收，一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答位（ACK bit）將從接收設(shè)備返回給發(fā)送設(shè)備。

3.3 尋址（ADDRESSING）

沒有像SPI這樣的從機(jī)片選接口線，所以它需要另一種方式讓從機(jī)知道數(shù)據(jù)被發(fā)送到它，而不是另一個(gè)從機(jī)。它需要通過尋址來實(shí)現(xiàn)。地址幀始終是新消息中開始位后的第一幀。

主機(jī)將它想要與之溝通的從機(jī)的地址發(fā)送給與之相連的每一個(gè)從機(jī)。然后，每個(gè)從機(jī)將從主機(jī)發(fā)送的地址與自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，它會向主發(fā)送低電壓ACK位。如果地址不匹配，從機(jī)什么都不做，SDA線仍然很高。

3.4 讀/寫位（READ/WRITE BIT）

在地址幀的末尾包含一個(gè)單獨(dú)的位，用于通知從機(jī)，主機(jī)是否想向它寫數(shù)據(jù)還是想從它接收數(shù)據(jù)。如果主機(jī)要將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)，讀/寫位是低電位；如果主機(jī)請求來自從機(jī)的數(shù)據(jù)，則該位為高電位1。

3.5 數(shù)據(jù)幀（THE DATA FRAME）

在主機(jī)檢測到從機(jī)發(fā)出的ACK位后，第一個(gè)數(shù)據(jù)幀已準(zhǔn)備好發(fā)送。

數(shù)據(jù)幀始終為8位長，并且首先發(fā)送最重要的位。每個(gè)數(shù)據(jù)幀后面都立即有ACK/NACK 位，以驗(yàn)證幀是否已成功接收。在發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀之前，主機(jī)或從機(jī)（取決于誰發(fā)送數(shù)據(jù)）必須接收ACK位。

在發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后，主機(jī)可以向從機(jī)發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是在SCL線路上從低到高過渡后，SDA線的電壓從低到高過渡，SCL線保持高位。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E（STEPS OF I2C DATATRANSMISSION）

1. 主機(jī)發(fā)送啟動條件給每一個(gè)連接的從機(jī)，在SCL線從高到低切換之前，主機(jī)將SDA線從高切換到低電平即可觸發(fā)啟動條件，即在SCL高電平時(shí)候給SDA一個(gè)下降沿，如下圖所示，注意箭頭的時(shí)序方向：

2. 主機(jī)發(fā)送它想與之溝通的7位或10位從機(jī)地址，以及讀/寫位：

3. 每個(gè)從機(jī)將從主機(jī)發(fā)送的地址與自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則從機(jī)通過將SDA 線拉低1個(gè)位來返回ACK位。如果主機(jī)的地址與從機(jī)自己的地址不匹配，則從機(jī)會將SDA線留在高電位（通過上拉電阻）。地址匹配的從機(jī)返回ACK位如下圖所示：

4.主機(jī)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

5. 傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備會將另一個(gè)ACK 位返回給發(fā)件人，以確認(rèn)成功接收幀：

6. 為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)發(fā)送一個(gè)停止條件給從機(jī)，通過在SDA拉高之前先拉高SCL，即在SCL高電平時(shí)候給SDA一個(gè)上升沿，如下圖所示，注意箭頭表示的傳輸順序：

3.7 單主機(jī)與多從機(jī)（SINGLE MASTER WITH MULTIPLE SLAVES）

由于使用尋址，因此可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)主機(jī)控多個(gè)從機(jī)。使用7位地址理論上可提供 128（2^7）個(gè)唯一地址。使用10位地址并不常見，但理論上可提供1024（2^10）個(gè)唯一地址。要將多個(gè)從機(jī)連接到單個(gè)主機(jī)，請像下面這樣將它們連接起來，并用4.7K Ohm上拉式電阻器將SDA和SCL線連接到Vcc：

3.8 多主機(jī)與多從機(jī)（MULTIPLE MASTERS WITH MULTIPLE SLAVES）

多個(gè)主機(jī)可以連接到一個(gè)單一的從機(jī)或多個(gè)從機(jī)。在多主機(jī)系統(tǒng)總，當(dāng)兩個(gè)主機(jī)嘗試同時(shí)通過SDA線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，問題就出現(xiàn)了。為了解決這個(gè)問題，每個(gè)主機(jī)在傳輸消息之前需要檢測SDA線是低電平還是高電平。如果SDA線為低電平，則意味著另一個(gè)主機(jī)正控制著總線，該主機(jī)應(yīng)等待發(fā)送消息。如果SDA線被拉高，則傳輸消息是安全的。

要將多個(gè)主機(jī)連接到多個(gè)從機(jī)，請按下圖連接，并使用4.7K Ohm上拉式電阻器將SDA和 SCL線連接到Vcc：

3.9 的優(yōu)缺點(diǎn)（ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF ）

優(yōu)勢

僅使用兩根電線

支持多個(gè)主和多個(gè)奴隸

ACK/NACK 位確認(rèn)每個(gè)幀都成功傳輸

硬件不如UART復(fù)雜

眾所周知和廣泛使用的協(xié)議

缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸速率低于SPI

數(shù)據(jù)框架的大小限制為8位

實(shí)現(xiàn)所需的硬件比SPI更復(fù)雜

3.10 總結(jié)

總線由9bit的塊構(gòu)成。開始條件：當(dāng)SCL是高電平時(shí)候SDA從高到底跳變的下降沿，作為開始條件。在總線上的所有從機(jī)都要開始注意了：

地址位為緊跟開始條件的7bit數(shù)據(jù)，主機(jī)想要與該地址從機(jī)溝通：

讀寫位為緊跟7bit地址后的第8位作為讀寫選擇位：該位用于表示主機(jī)是想讀從機(jī)的數(shù)據(jù)還是想往從機(jī)里寫數(shù)據(jù)：為1表示讀；為0表示寫。

主機(jī)和從機(jī)之間的同步位：0表示ACK；1表示NACK。0：我在或數(shù)據(jù)已接收。1：沒有我或數(shù)據(jù)未接收。

數(shù)據(jù)字節(jié)：在地址字節(jié)后的8位是來自主機(jī)或從機(jī)的數(shù)據(jù)字節(jié)。至于來自誰，要看讀寫位。當(dāng)寫周期，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)讀周期，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：

停止條件：當(dāng)SCL是高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA從低電平跳變到高電平產(chǎn)生的上升沿作為停止條件。主機(jī)通知從機(jī)本次溝通結(jié)束。

完整的總線協(xié)議時(shí)序如下圖所示：

3.11 備注

本筆記圖中帶箭頭的表示時(shí)序傳遞的優(yōu)先順序，箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚧蛳劝l(fā)生的時(shí)序。1.10小結(jié)沒有標(biāo)注箭頭，以左側(cè)作為先發(fā)生的時(shí)序，請勿與前面的圖弄混。

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