I2C总线 I2C总线详解

概述： I²C 是Inter-Integrated Circuit的缩写，发音为"eye-squared cee" or "eye-two-cee" , 它是一种两线接口。 I²C 只是用两条双向的线，一条 Serial Data Line ，另一条Serial Clock 。 SCL：上升沿将数据输入到每个EEPROM器件中；下降沿驱动EEPROM器件输出数据。 SDA：双向数据线，为OD门，与其它任意数量的OD与OC门成"线与"关系。输出级 每一个I2C总线器件内部的SDA、SCL引脚电路结构都是一样的，引脚的输出驱动与输入缓冲连在一起。其中输出为漏极开路的场效应管，输入缓冲为一只高输入阻抗的同相器，这种电路具有两个特点： 1)由于SDA、SCL为漏极开路结构，因此它们必须接有上拉电阻,阻值的大小常为 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 时性能最好；当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线"与"关系。 2)引脚在输出信号的同时还将引脚上的电平进行检测，检测是否与刚才输出一致，为"时钟同步"和"总线仲裁"提供了硬件基础。主设备与从设备 系统中的所有外围器件都具有一个7位的"从器件专用地址码"，其中高4位为器件类型，由生产厂家制定，低3位为器件引脚定义地址，由使用者定义。主控器件通过地址码建立多机通信的机制，因此I2C总线省去了外围器件的片选线，这样无论总线上挂接多少个器件，其系统仍然为简约的二线结构。终端挂载在总线上，有主端和从端之分，主端必须是带有CPU的逻辑模块，在同一总线上同一时刻使能有一个主端，可以有多个从端，从端的数量受地址空间和总线的最大电容 400pF的限制。　　 主端主要用来驱动SCL line； 从设备对主设备产生响应；

两者都可以传输数据，但从设备不能发起传输，传输由主设备控制。

4.费率:

普通模式:100kHz；

快速模式:400kHz；

高速模式:3.4MHz；

草案

1.空空闲状态

当I2C总线的SDA和SCL信号线同时处于高电平时，定义为总线的空空闲状态。此时各器件的输出级场效应管处于关断状态，即总线释放，电平由两条信号线的上拉电阻上拉。

2.开始位和停止位的定义:

起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。

3.确认

每次发送器发送一个字节，数据线在时钟脉冲9期间被释放，接收器反馈一个响应信号。当响应信号为低电平时，指定为有效响应位，表示接收方已成功接收字节；当响应信号为高电平时，它被指定为非响应位，这通常表示接收器未能接收到该字节。反馈有效响应位ACK的要求是接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并确保在该时钟的高电平期间保持稳定的低电平。如果接收器是主机，在接收到最后一个字节后，它会发送一个NACK信号，通知受控发送器结束数据传输，并释放SDA线路，以便主机接收器可以发送停止信号p。

逻辑分析仪的采样结果如下图所示:释放总线后，如果没有响应信号，sda应该一直保持在高电平，但如图中蓝色虚线所示，它被下拉到低电平，证明已经收到响应信号。

给我们的两个信息是:1)接收方拉SDASCL上升沿之前的低水平期间为低；2)响应信号保持到SCL下降沿结束；如上面红色标记所示。

4.数据有效性:当I2C总线用于数据传输时，当时钟信号处于高电平时，数据线上的数据必须保持稳定。只有当时钟线上的信号处于低电平时，数据线的高电平或低电平状态才能改变。

我的理解:虽然只要求在高电平期间保持稳定，但是应该有一个提前，就是数据要在SCL上升沿之前准备好，因为之前的文章——I2C总线概述中已经指出，数据是在SCL上升沿驱动到器件中的。

5.数据传输:

I2C总线上传输的每一位数据都有相应的时钟脉冲，即在SCL串行时钟的配合下，每一位数据都在SDA上逐位串行传输。数据位的传输由边沿触发。

工作过程

总线上的所有通信都由主机发起。在交流中，主人和被控制者总是扮演两个不同的角色。

1.主设备向从设备发送数据

主设备发送起始位，通知总线上的所有设备传输已经开始。然后主机发送设备地址，匹配此地址的从机继续传输过程，其他从机忽略下一次传输，等待下一次传输开始。主设备寻址从设备后，发送从设备的内部寄存器地址进行读取或写入；之后，发送数据。数据传输完成后，传输停止位:

写作过程如下:

发送开始位

发送从设备的地址和读/写选择位；释放总线，等到EEPROM拉低总线进行应答；如果EEPROM接收成功，则进行应答；若没有握手成功或者发送的数据错误时EEPROM不产生应答，此时要求重发或者终止。发送想要写入的内部寄存器地址；EEPROM对其发出应答；发送数据发送停止位.EEPROM收到停止信号后，进入到一个内部的写入周期，大概需要10ms，此间任何操作都不会被EEPROM响应；

详细信息:

需要注意的是:主控制器通过发送地址码与对应的被控设备建立了通信关系，而与总线相连的其他被控设备同时收到了地址码，但由于与自己的地址不一致，提前退出了与主控制器的通信；

2.主控制器读取数据的过程:

阅读过程比较复杂。在从从机读取数据之前，您必须先告诉它您要读取哪个内部寄存器，因此您必须先写入它:

发送起始位；发送slave地址+write bit set；发送内部寄存器地址；重新发送起始位，即restart；重新发送slave地址+read bit set；读取数据主机接收器在接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号。于是，从机发送器释放SDA线，以允许主机发出P信号结束传输。 发送停止位

详细信息:

为了加深对I2C公交的理解，用C语言模拟IIC公交，边看源代码边看波形:

写操作的时序图如下图所示:

本文转载自bitart在Blog Park的博客，并进行整理。