什么是I2C協(xié)議 I2C總線的控制邏輯

一、什么是I2C協(xié)議 ? ? ?

I2C協(xié)議是一個允許一主多從進行通訊的協(xié)議。它就像串行外設接口（SPI）一樣，只能用于短距離通信。又像異步串行接口（如RS232或UART），只需要兩根信號線來交換信息。

實現(xiàn)I2C需要兩根信號線完成信息交換，SCL時鐘信號線，SDA數(shù)據(jù)輸入/輸出線。它屬于同步通信，由于輸入輸出數(shù)據(jù)均使用一根線，因此通信方向為半雙工。

總結：短距離、一主多從、半雙工、兩根線、同步通訊

二、名詞解釋 ? ? ?

什么是半雙工呢？什么是同步通訊？什么是異步通訊？

1 什么是半雙工？

數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)在線路上的傳送方式可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。

單工通信：是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健＠邕b控、遙測(一部分)，就是單工通信方式。單工通信信道是單向信道，發(fā)送端只能發(fā)送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發(fā)送信息。

半雙工：是指數(shù)據(jù)可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，因此又被稱為雙向交替通信。半雙工方式要求收發(fā)兩端都有發(fā)送和接收能力。由于這種方式要頻繁變換信道方向，故效率低，但可以節(jié)約傳輸線路。

全雙工：是指在通信的任意時刻，線路上可以同時存在A到B和B到A的雙向信號傳輸。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。全雙工方式無需進行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應用（例如遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。比如，電話機則是一種全雙工設備，其通話雙方可以同時進行對話。

2.2 什么是同步通訊

同步通信：發(fā)送端在發(fā)送串行數(shù)據(jù)的同時，提供一個時鐘信號，并按照一定的約定（例如：在時鐘信號的上升沿的時候，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去）發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)發(fā)送端提供的時鐘信號，以及大家的約定，接收數(shù)據(jù)。如：I2C、SPI等有時鐘信號的協(xié)議，都屬于這種通信方式。

異步通信：接收方并不知道數(shù)據(jù)什么時候會到達，收發(fā)雙方可以有各自自己的時鐘。發(fā)送方發(fā)送的時間間隔可以不均，接收方是在數(shù)據(jù)的起始位和停止位的幫助下實現(xiàn)信息同步的。這種傳輸通常是很小的分組，比如：一個字符為一組，數(shù)據(jù)組配備起始位和結束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的，因為額外加入了很多的輔助位作為負載，常用在低速的傳輸中。

同步通信與異步通信區(qū)別：

（1）同步通信要求接收端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致，發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流；異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步，發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。

（2）同步通信效率高，異步通信效率較低。

（3）同步通信較復雜，雙方時鐘的允許誤差較??；異步通信簡單，雙方時鐘可允許一定誤差。

（4）同步通信可用于點對多點；異步通信只適用于點對點。

三、I2C的功能特點 ? ? ?

I2C最重要的功能包括：

只需要兩條總線；

沒有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線時鐘；

所有組件之間都存在簡單的主/從關系，連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址；

I2C是真正的多主設備總線，可提供仲裁和沖突檢測；

傳輸速度：

標準模式：Standard Mode = 100 Kbps

快速模式：Fast Mode = 400 Kbps

高速模式：High speed mode = 3.4 Mbps

超快速模式：Ultra fast mode = 5 Mbps

最大主設備數(shù)：無限制；

最大從機數(shù)：理論上是127；

四、I2C的高阻態(tài) ? ? ?

漏極開路（Open Drain）即高阻狀態(tài)，適用于輸入/輸出，其可獨立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài)，若需要產(chǎn)生高電平，則需使用外部上拉電阻

高阻狀態(tài)：高阻狀態(tài)是三態(tài)門電路的一種狀態(tài)。邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門電路。電路分析時高阻態(tài)可做開路理解。

我們知道IIC的所有設備是接在一根總線上的，那么我們進行通信的時候往往只是幾個設備進行通信，那么這時候其余的空閑設備可能會受到總線干擾，或者干擾到總線，怎么辦呢？

為了避免總線信號的混亂，IIC的空閑狀態(tài)只能有外部上拉，而此時空閑設備被拉到了高阻態(tài)，也就是相當于斷路，整個IIC總線只有開啟了的設備才會正常進行通信，而不會干擾到其他設備。

五、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 ? ? ? 主設備和從設備進行數(shù)據(jù)傳輸時遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過一條SDA數(shù)據(jù)線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結構可以分為：

1 起始位

當主設備決定開始通訊時，需要發(fā)送開始信號，并且執(zhí)行以下過程：

將SDA線由高電平切換成低電平；

將SCL線由高電平切換成低電平；

在主設備發(fā)送開始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，并等待接收地址位。

2 地址位

地址位支持7bit、10bit，主設備如果需要向從機發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址，故地址為主要用來辨識不同設備。

地址位由主機發(fā)送，從設備負責接受并識別該地址是否位自己地址。

3 讀寫位

由于I2C是半雙工通訊，所以設備需要確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，故引入了讀寫位。

如果主設備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設備，則該位設置為 0；

如果主設備需要往從設備接收數(shù)據(jù)，則將其設置為 1 ；

讀寫位由主機發(fā)送；1表示讀操作，0表示寫操作。

4 應答位

I2C最大的一個特點就是有完善的應答機制，從機接收到主機的數(shù)據(jù)時，會回復一個應答信號來通知主機表示“我收到了”。

應答信號：出現(xiàn)在1個字節(jié)傳輸完成之后，即第9個SCL時鐘周期內(nèi)，此時主機需要釋放SDA總線，把總線控制權交給從機，由于上拉電阻的作用，此時總線為高電平，如果從機正確的收到了主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，會把SDA拉低，表示應答響應。

非應答信號：當?shù)?個SCL時鐘周期時，SDA保持高電平，表示非應答信號。

非應答信號可能是主機產(chǎn)生也可能是從機產(chǎn)生，產(chǎn)生非應答信號的情況主要有以下幾種：

I2C總線上沒有主機所指定地址的從機設備；

從機正在執(zhí)行一些操作，處于忙狀態(tài)，還沒有準備好與主機通訊；

主機發(fā)送的一些控制命令，從機不支持；

主機接收從機數(shù)據(jù)時，主機產(chǎn)生非應答信號，通知從機數(shù)據(jù)傳輸結束，不要再發(fā)數(shù)據(jù)了；

5 數(shù)據(jù)位

I2C數(shù)據(jù)總線傳輸要保證在SCL為高電平時，SDA數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所以SDA上數(shù)據(jù)變化只能在SCL為低電平時

一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位，由發(fā)送方設置，它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗健?/p>

發(fā)送之后會緊跟一個ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數(shù)據(jù)，則從機發(fā)送ACK。否則，從機發(fā)送NACK。

數(shù)據(jù)可以重復發(fā)送多個，直到接收到停止位為止。

6 停止位

當主設備決定結束通訊時，需要發(fā)送結束信號，需要執(zhí)行以下動作：

先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平；

再將SCL線從高電平拉到低電平；

總結，寫寄存器的標準流程為：

1. Master發(fā)起START

2. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK

3. Slave發(fā)送ACK

4. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK

5. Slave發(fā)送ACK

6. Master發(fā)送data（8bit），即要寫入寄存器中的數(shù)據(jù)，等待ACK

7. Slave發(fā)送ACK

8. 第6步和第7步可以重復多次，即順序寫多個寄存器

9. Master發(fā)起STOP

讀寄存器的標準流程為：

1. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK

2. Slave發(fā)送ACK

3. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK

4. Slave發(fā)送ACK

5. Master發(fā)起START

6. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK

7. Slave發(fā)送ACK

8. Slave發(fā)送data（8bit），即寄存器里的值

9. Master發(fā)送ACK

10. 第8步和第9步可以重復多次，即順序讀多個寄存器

六、仲裁機制 ? ? ?

在多主的通信系統(tǒng)中?？偩€上有多個節(jié)點，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點被別的節(jié)點訪問，同時它們都可以作為主節(jié)點向其他的節(jié)點發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。

但是如果有兩個或兩個以上的節(jié)點都向總線上發(fā)送啟動信號并開始傳送數(shù)據(jù)，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進行仲裁的判決，這就是I2C總線上的仲裁。

I2C總線上的仲裁分兩部分：SCL線的同步和SDA線的仲裁。

1 SCL線的同步

SCL同步是由于總線具有線 “與” 的邏輯功能（開漏輸出），即只要有一個節(jié)點發(fā)送低電平時，總線上就表現(xiàn)為低電平。當所有的節(jié)點都發(fā)送高電平時，總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理，當多個節(jié)點同時發(fā)送時鐘信號時，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時鐘信號，這就是SCL的同步原理。