1、概述

I2C總線是一種十分流行并且強(qiáng)大的總線，其多用于一個(gè)（或多個(gè)）主機(jī)與單個(gè)或多個(gè)從設(shè)備通訊的場(chǎng)景。圖1表明了多種不同的外設(shè)可以共享這種只需要兩根線便可以連接到處理器的總線，相對(duì)于其他接口來說，這也是I2C總線可以提供的最大優(yōu)勢(shì)之一。 這篇應(yīng)用筆記的目標(biāo)是幫助大家理解I2C總線是如何工作的。
圖1展示了一個(gè)典型的用于嵌入式系統(tǒng)中的I2C總線，其上掛載了多種從設(shè)備。作為I2C主機(jī)的從微控制器控制著IO拓展、不同傳感器、EEPROM、多個(gè)ADC/多個(gè)DAC、等等。所有這些設(shè)備只需要通過來自主機(jī)的兩根引腳來控制。

1、電特性

I2C總線使用開漏輸出控制器，在同一線路上帶有一個(gè)輸入緩沖器，這樣便可以允許在單根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)流傳輸。

1.1 用于雙向通訊的開漏極

開漏輸出極允許將總線上的電壓拉低（大多數(shù)情況下是到地），或釋放總線以允許其被上拉電阻拉高。當(dāng)總線被主機(jī)或從機(jī)釋放，線上的上拉電阻負(fù)責(zé)將線上電壓上拉到電源軌。由于并沒有設(shè)備可以在總線上輸出高電平，這也就意味著總線在通訊中，將不會(huì)碰到一個(gè)設(shè)備輸出高，而另一個(gè)設(shè)備試圖輸出低所導(dǎo)致的短路問題（電源軌到地）。I2C總線要求處于多主機(jī)環(huán)境下的單個(gè)主機(jī)在輸出高而讀回的實(shí)際總線電平為低時(shí)（這意味著另一個(gè)設(shè)備拉低了它）中止通訊，因?yàn)榱硪粋€(gè)設(shè)備正在使用總線。采用推挽輸出方式的接口就沒有這么自由了，這也正是I2C總線的一個(gè)優(yōu)先。

圖2展示了位于SDA/SCL線上的主從設(shè)備的內(nèi)部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，其由一個(gè)用于讀取數(shù)據(jù)的緩沖器，以及一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)的下拉場(chǎng)效應(yīng)管組成。一個(gè)設(shè)備只被允許拉低總線（規(guī)定為短路到地）或釋放總線（對(duì)地呈現(xiàn)高阻態(tài)）以允許上拉電阻拉升總線電平。當(dāng)處理I2C設(shè)備時(shí)，有一個(gè)重要的概念需要闡明：沒有設(shè)備可以保持總線為高。這個(gè)特性使得雙向通訊得以實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 開漏極拉低

正如前面章節(jié)所述，開漏輸出只能將總線拉低，或者釋放總線然后依靠上拉電阻拉高總線。圖3展示了總線拉低時(shí)的電流流向。當(dāng)邏輯電路想要發(fā)送一個(gè)低電平時(shí)，其會(huì)使能下拉場(chǎng)效應(yīng)管，場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)通過短路到地的方式拉低線路。

1.1.2 開漏極釋放總線

當(dāng)從機(jī)或主機(jī)想要傳輸一個(gè)邏輯電平高，它只能通過使能場(chǎng)效應(yīng)管的方式釋放總線。這將會(huì)使得總線處于浮空狀態(tài)，同時(shí)上拉電阻將會(huì)將總線電平拉高到供電軌，此電平被當(dāng)作高電平看待。圖4展示了電流如何流過用于拉高總線的上拉電阻。

2、I2C接口

2.1 I2C的常用操作

I2C總線是一種雙向接口，其使用被稱為主機(jī)的控制器與從設(shè)備進(jìn)行通訊。從機(jī)不會(huì)主動(dòng)傳輸任何數(shù)據(jù)，除非其被主機(jī)尋址。每個(gè)處于I2C總線上的設(shè)備均有獨(dú)有的設(shè)備地址，以用于與位于同一總線上的其他設(shè)備做區(qū)分。很多從機(jī)需要在啟動(dòng)后進(jìn)行配置以設(shè)置設(shè)備行為。這通常在主機(jī)訪問從機(jī)的內(nèi)部寄存器映射時(shí)完成，這些寄存器均有獨(dú)一無二的寄存器地址。單個(gè)設(shè)備可以具有一個(gè)或多個(gè)寄存器，這些寄存器可以用來存儲(chǔ)或讀寫數(shù)據(jù)。
I2C總線的物理接口由串行時(shí)鐘線（SCL）和串行數(shù)據(jù)線（SDA）組成。SCL和SDA均需要通過上拉電阻連接到Vcc。上拉電阻的大小由I2C線路上的等效電容大小決定（想要了解更多，可以參考I2C Pull-up Resistor Calculation這份文檔，文檔號(hào)：SLVA689）。數(shù)據(jù)傳送只能在總線空閑時(shí)初始化。如果SDA和SCL在一個(gè)STOP標(biāo)志后均處于高電平狀態(tài)，這時(shí)可以認(rèn)為總線處在空閑狀態(tài)。
主機(jī)訪問從機(jī)的大體流程如下所示：

假設(shè)一個(gè)主機(jī)想要向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：

發(fā)送方主機(jī)發(fā)送一個(gè)START標(biāo)志并且尋址接收方從機(jī)

發(fā)送方主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到接收方從機(jī)

發(fā)送方主機(jī)通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束傳輸

如果主機(jī)想要從從機(jī)接收/讀取數(shù)據(jù)：

接收方主機(jī)發(fā)送START標(biāo)志并尋址發(fā)送方從機(jī)

接收方主機(jī)發(fā)送需要讀取的寄存器地址到發(fā)送方從機(jī)

接收方主機(jī)從發(fā)送方從機(jī)接收數(shù)據(jù)

接收方主機(jī)通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊

2.1.1 START與STOP標(biāo)志

主機(jī)可以通過發(fā)送START標(biāo)志初始化與設(shè)備的I2C通訊，或者發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA上的下降沿意味著一個(gè)START標(biāo)志，而SDA上的上升沿意味著一個(gè)STOP標(biāo)志。

2.1.2 重復(fù)的START標(biāo)志

重復(fù)的START標(biāo)志與通常的START標(biāo)志作用類似，其用于STOP標(biāo)志后緊接START標(biāo)志的情況時(shí)，用于代替這兩者。它看上去與START標(biāo)志一致，但是與START標(biāo)志不同的是，重復(fù)的START標(biāo)志在STOP標(biāo)志之前出現(xiàn)（也就是總線不處于空閑狀態(tài)時(shí)）。當(dāng)主機(jī)希望開始一次新的通訊，但又不希望發(fā)送STOP標(biāo)志使總線進(jìn)入空閑狀態(tài)時(shí)這會(huì)非常管用，這樣可以防止當(dāng)前主機(jī)的總線控制權(quán)被其他主機(jī)搶奪（當(dāng)處于多主機(jī)環(huán)境下）。

2.2 數(shù)據(jù)有效性與字節(jié)格式

數(shù)據(jù)位伴隨著SCL上的每一個(gè)時(shí)鐘脈沖被傳輸。單個(gè)字節(jié)由SDA線上的8位數(shù)據(jù)組成，其可以是設(shè)備地址、寄存器地址或者讀自/寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以大端在前（MSB）的方式傳輸。在START標(biāo)志與STOP標(biāo)志之間可以傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)。SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘電平為高時(shí)保持穩(wěn)定，因?yàn)镾CL線為高時(shí)，SDA線上的變動(dòng)將會(huì)被當(dāng)作控制指令（START或STOP）。

2.3 應(yīng)答（ACK）和非應(yīng)答（NACK）

數(shù)據(jù)的每一字節(jié)（包括地址字節(jié)）后總是伴隨著來自接收方的1位ACK位。ACK位使得接收方可以告知發(fā)送方當(dāng)前字節(jié)已成功接收，并且可以發(fā)送下一字節(jié)。
在接收方發(fā)送ACK位前，發(fā)送方必須釋放總線。接收方通過在ACK/NACK時(shí)鐘周期（第9時(shí)鐘周期）的低電平相位拉低SDA線來發(fā)送一個(gè)ACK位，如此一來，SDA線將會(huì)在ACK/NACK時(shí)鐘周期的高電平相位保持為低電平。設(shè)置與保持時(shí)間必須著重注意。
如果SDA線在ACK/NACK時(shí)鐘周期保持為高電平，這將會(huì)被作為NACK。有好幾種狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致NACK的產(chǎn)生：

接收方無法進(jìn)行接收或發(fā)送，因?yàn)槠湔趫?zhí)行一些實(shí)時(shí)性功能（real-time function），無法與主機(jī)進(jìn)行通訊。

在發(fā)送期間，接收方收到了無法識(shí)別的數(shù)據(jù)或指令。

在發(fā)送期間，接收方無法接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)（也就是緩沖區(qū)滿了）。

作為接收方的主機(jī)完成了數(shù)據(jù)讀取，因此通過發(fā)送一個(gè)NACK通知從機(jī)。

3、總線數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)可以寫入/讀自從機(jī)，但是這是通過讀寫從設(shè)備內(nèi)部的寄存器完成的。
包含信息的寄存器處于從機(jī)的內(nèi)存中，無論這些信息是配置信息還是一些需要回發(fā)給主機(jī)的采樣數(shù)據(jù)。為了指示從機(jī)去執(zhí)行某一任務(wù)，主機(jī)必須向這些寄存器內(nèi)寫入信息。
雖然通常來說I2C從機(jī)是具有多個(gè)寄存器的，但也需要注意并不是所有從機(jī)都是這樣。對(duì)于一個(gè)只具有單個(gè)寄存器的簡(jiǎn)易從機(jī)來說，可以通過在從機(jī)地址后直接發(fā)送數(shù)據(jù)的方式來直接寫這個(gè)單一的寄存器，而不需要再對(duì)寄存器進(jìn)行尋址。一個(gè)通過I2C總線控制的8位I2C開關(guān)可以很好的作為單寄存器設(shè)備的例子。由于它通過1位來使能/失能一個(gè)通道，因此只需要1個(gè)寄存器，主機(jī)可以在從機(jī)地址后直接寫入寄存器數(shù)據(jù)，跳過寄存器編碼部分。

3.1 寫位于I2C總線上的從機(jī)

要在I2C總線上執(zhí)行寫操作，主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)START標(biāo)志以及從機(jī)地址到總線上，并且將最后1位（讀寫位）設(shè)為0以表明這是寫操作。當(dāng)從機(jī)發(fā)送應(yīng)答位之后，主機(jī)便發(fā)送希望寫入的寄存器地址。從機(jī)再一次應(yīng)答，通知主機(jī)從機(jī)已準(zhǔn)備好。這之后，主機(jī)開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)到從機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送完所有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)（有時(shí)只是一個(gè)字節(jié)），其將會(huì)通過發(fā)送STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。
圖8展示了一個(gè)寫入單個(gè)字節(jié)到從機(jī)寄存器的例子。

3.2 讀位于I2C總線上的從機(jī)

從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)類似，但是有一些額外的步驟。為了讀取從機(jī)，主機(jī)必須先指示從機(jī)自己想要讀取哪個(gè)寄存器。這一步通過執(zhí)行與寫操作類似的開始通訊步驟完成，發(fā)送讀寫位為0的設(shè)備地址（意味著一次寫操作），緊跟著希望讀的寄存器的地址。一旦從機(jī)應(yīng)答了此地址，主機(jī)將會(huì)再一次發(fā)送START標(biāo)志，并發(fā)送讀寫位為1的設(shè)備地址（意味著一次讀操作）。這時(shí)，從機(jī)將會(huì)應(yīng)答讀請(qǐng)求，同時(shí)主機(jī)釋放總線但是保持到從機(jī)的時(shí)鐘供應(yīng)。在通訊流程的這一部分，主機(jī)將會(huì)作為接收方主機(jī)，同時(shí)從機(jī)將會(huì)作為發(fā)送方從機(jī)。 主機(jī)將會(huì)繼續(xù)發(fā)送時(shí)鐘脈沖，但是會(huì)釋放SDA線以便于從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。在每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的結(jié)尾，主機(jī)將會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK到從機(jī)，讓從機(jī)知道主機(jī)準(zhǔn)備好接收更多的數(shù)據(jù)。一旦主機(jī)接收完成期待的字節(jié)數(shù)量，它將會(huì)發(fā)送一個(gè)NACK，通知從機(jī)終止通訊并要求從機(jī)釋放總線。緊接著主機(jī)將會(huì)發(fā)送一個(gè)STOP標(biāo)志結(jié)束通訊。
圖9展示了從從機(jī)寄存器讀取單個(gè)字節(jié)的例子。

這是對(duì)德州儀器的應(yīng)用文檔SLVA704的中文翻譯，原文標(biāo)題為：Understanding the I2C Bus。相比于飛利浦出品的幾十頁的I2C標(biāo)準(zhǔn)文檔，此文檔只有8頁，但是對(duì)于想要了解標(biāo)準(zhǔn)I2C總線并應(yīng)用的人來說，這個(gè)已經(jīng)夠用了。

審核編輯黃宇