21.1

I2C簡介

I2C通訊協(xié)議（Inter-Integrated Circuit）是由 Philips公司開發(fā)的，由于它引腳少，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，不需要USART、CAN等通訊協(xié)議的外部收發(fā)設(shè)備，現(xiàn)在被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)集成電路（IC）間的通訊。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，大部分復(fù)雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分為內(nèi)核層和片上外設(shè)；瑞薩的FPS庫則是在寄存器與用戶代碼之間的軟件層。

對于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。

簡單來說物理層規(guī)定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協(xié)議層則規(guī)定我們用中文還是英文來交流。

下面我們分別對I2C協(xié)議的物理層及協(xié)議層進(jìn)行講解。

21.1.1

I2C物理層

I2C通訊設(shè)備之間的常用連接方式見圖22_1。

圖22?1 常見的I2C通訊系統(tǒng)

它的物理層有如下特點(diǎn)：

（1）它是一個(gè)支持設(shè)備的總線?！翱偩€”指多個(gè)設(shè)備共用的信號線。在一個(gè)I2C通訊總線中，可連接多個(gè)I2C通訊設(shè)備，支持多個(gè)通訊主機(jī)及多個(gè)通訊從機(jī)。

（2）一個(gè)I2C總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時(shí)鐘線（SCL）。數(shù)據(jù)線即用來表示數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線用于數(shù)據(jù)收發(fā)同步。

（3）每個(gè)連接到總線的設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)立的地址，主機(jī)可以利用這個(gè)地址進(jìn)行不同設(shè)備之間的訪問。

（4）總線通過上拉電阻接到電源。當(dāng)I2C設(shè)備空閑時(shí)，會(huì)輸出高阻態(tài)，而當(dāng)所有設(shè)備都空閑，都輸出高阻態(tài)時(shí)，由上拉電阻把總線拉成高電平。

（5）多個(gè)主機(jī)同時(shí)使用總線時(shí)，為了防止數(shù)據(jù)沖突，會(huì)利用仲裁方式?jīng)Q定由哪個(gè)設(shè)備占用總線。

（6）具有三種傳輸模式：標(biāo)準(zhǔn)模式傳輸速率為100kbit/s，快速模式為400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s，但目前大多I2C設(shè)備尚不支持高速模式。

（7）連接到相同總線的IC數(shù)量受到總線的最大電容400pF限制。

21.1.2

協(xié)議層

I2C的協(xié)議定義了通訊的起始和停止信號、數(shù)據(jù)有效性、響應(yīng)、仲裁、時(shí)鐘同步和地址廣播等環(huán)節(jié)。

21.1.2.1

I2C基本讀寫過程

先看看I2C通訊過程的基本結(jié)構(gòu)，它的通訊過程見圖22_2、圖22_3及圖22_4。

圖22?2 主機(jī)寫數(shù)據(jù)到從機(jī)

圖22?3 主機(jī)由從機(jī)中讀數(shù)據(jù)

圖22?4 I2C通訊復(fù)合格式

圖例

數(shù)據(jù)由主機(jī)傳輸至從機(jī)

S：傳輸開始信號

SLAVE_ADDRESS：從機(jī)地址

數(shù)據(jù)由從機(jī)傳輸至主機(jī)

R/W-：傳輸方向選擇位，1為讀，0為寫

A/A-：應(yīng)答（ACK）或非應(yīng)答（NACK）信號

P：停止傳輸信號

這些圖表示的是主機(jī)和從機(jī)通訊時(shí)，SDA線的數(shù)據(jù)包序列。

其中S表示由主機(jī)的I2C接口產(chǎn)生的傳輸起始信號（S），這時(shí)連接到I2C總線上的所有從機(jī)都會(huì)接收到這個(gè)信號。

起始信號產(chǎn)生后，所有從機(jī)就開始等待主機(jī)緊接下來廣播的從機(jī)地址信號（SLAVE_ADDRESS）。在I2C總線上，每個(gè)設(shè)備的地址都是唯一的，當(dāng)主機(jī)廣播的地址與某個(gè)設(shè)備地址相同時(shí)，這個(gè)設(shè)備就被選中了，沒被選中的設(shè)備將會(huì)忽略之后的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)I2C協(xié)議，這個(gè)從機(jī)地址可以是7位或10位。

在地址位之后，是傳輸方向的選擇位，該位為0時(shí)，表示后面的數(shù)據(jù)傳輸方向是由主機(jī)傳輸至從機(jī)，即主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)。該位為1時(shí)，則相反，即主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

從機(jī)接收到匹配的地址后，從機(jī)會(huì)返回一個(gè)應(yīng)答（ACK）或非應(yīng)答（NACK）信號，只有接收到應(yīng)答信號后，主機(jī)才能繼續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

寫數(shù)據(jù)

若配置的方向傳輸位為“寫數(shù)據(jù)”方向，即第一幅圖的情況，廣播完地址，接收到應(yīng)答信號后，主機(jī)開始正式向從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)（DATA），數(shù)據(jù)包的大小為8位，主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，都要等待從機(jī)的應(yīng)答信號（ACK），重復(fù)這個(gè)過程，可以向從機(jī)傳輸N個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)N沒有大小限制。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)停止傳輸信號（P），表示不再傳輸數(shù)據(jù)。

讀數(shù)據(jù)

若配置的方向傳輸位為“讀數(shù)據(jù)”方向，即第二幅圖的情況，廣播完地址，接收到應(yīng)答信號后，從機(jī)開始向主機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)（DATA），數(shù)據(jù)包大小也為8位，從機(jī)每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)等待主機(jī)的應(yīng)答信號（ACK），重復(fù)這個(gè)過程，可以返回N個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)N也沒有大小限制。當(dāng)主機(jī)希望停止接收數(shù)據(jù)時(shí)，就向從機(jī)返回一個(gè)非應(yīng)答信號（NACK），則從機(jī)自動(dòng)停止數(shù)據(jù)傳輸。

讀和寫數(shù)據(jù)

除了基本的讀寫，I2C通訊更常用的是復(fù)合格式，即第三幅圖的情況，該傳輸過程有兩次起始信號（S）。一般在第一次傳輸中，主機(jī)通過SLAVE_ADDRESS尋找到從設(shè)備后，發(fā)送一段“數(shù)據(jù)”，這段數(shù)據(jù)通常用于表示從設(shè)備內(nèi)部的寄存器或存儲器地址（注意區(qū)分它與SLAVE_ADDRESS的區(qū)別）；在第二次的傳輸中，對該地址的內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)?。也就是說，第一次通訊是告訴從機(jī)讀寫地址，第二次則是讀寫的實(shí)際內(nèi)容。

以上通訊流程中包含的各個(gè)信號分解如下：

21.1.2.2. 通訊的起始和停止信號

前文中提到的起始(S)和停止(P)信號是兩種特殊的狀態(tài)，見圖 22?5。當(dāng) SCL 線是高電平時(shí) SDA 線從高電平向低電平切換，這個(gè)情況表示通訊的起始。當(dāng) SCL 是高電平時(shí) SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。起始和停止信號一般由主機(jī)產(chǎn)生。

圖 22?5 起始和停止信號

21.1.2.3. 數(shù)據(jù)有效性

I2C使用SDA信號線來傳輸數(shù)據(jù)，使用SCL信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。見圖22_6。 SDA數(shù)據(jù)線在SCL的每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)。傳輸時(shí)，SCL為高電平的時(shí)候SDA表示的數(shù)據(jù)有效，即此時(shí)的SDA為高電平時(shí)表示數(shù)據(jù)“1”，為低電平時(shí)表示數(shù)據(jù)“0”。當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA的數(shù)據(jù)無效，一般在這個(gè)時(shí)候SDA進(jìn)行電平切換，為下一次表示數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

圖 22?6 數(shù)據(jù)有效性

每次數(shù)據(jù)傳輸都以字節(jié)為單位，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)不受限制。

21.1.2.4. 地址及數(shù)據(jù)方向

I2C總線上的每個(gè)設(shè)備都有自己的獨(dú)立地址，主機(jī)發(fā)起通訊時(shí)，通過SDA信號線發(fā)送設(shè)備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機(jī)。 I2C協(xié)議規(guī)定設(shè)備地址可以是7位或10位，實(shí)際中7位的地址應(yīng)用比較廣泛。 緊跟設(shè)備地址的一個(gè)數(shù)據(jù)位用來表示數(shù)據(jù)傳輸方向，它是數(shù)據(jù)方向位(R/)，第8位或第11位。數(shù)據(jù)方向位為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)， 該位為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)。見圖22_7。

圖 22?7 設(shè)備地址(7位)及數(shù)據(jù)傳輸方向

讀數(shù)據(jù)方向時(shí)，主機(jī)會(huì)釋放對SDA信號線的控制，由從機(jī)控制SDA信號線，主機(jī)接收信號；寫數(shù)據(jù)方向時(shí)，SDA由主機(jī)控制，從機(jī)接收信號。

21.1.2.5. 響應(yīng)

I2C的數(shù)據(jù)和地址傳輸都帶響應(yīng)。響應(yīng)包括“應(yīng)答(ACK)”和“非應(yīng)答(NACK)”兩種信號。作為數(shù)據(jù)接收端時(shí)， 當(dāng)設(shè)備(無論主從機(jī))接收到I2C傳輸?shù)囊粋€(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)或地址后，若希望對方繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)， 則需要向?qū)Ψ桨l(fā)送“應(yīng)答(ACK)”信號，發(fā)送方會(huì)繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)；若接收端希望結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸， 則向?qū)Ψ桨l(fā)送“非應(yīng)答(NACK)”信號，發(fā)送方不會(huì)繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，之后主機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)停止的信號，并且結(jié)束信號傳輸。見圖22_8。

圖 22?8 響應(yīng)與非響應(yīng)信號

傳輸時(shí)主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘，在第9個(gè)時(shí)鐘時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送端會(huì)釋放SDA的控制權(quán)，由數(shù)據(jù)接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應(yīng)答信號(NACK)，低電平表示應(yīng)答信號(ACK)。