I2C組成及工作原理

I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。
I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線臣嚣。一根是數(shù)據(jù)線SDA颅停，另一根是時(shí)鐘線SCL。

image.png

I2C總線通過(guò)上拉電阻接正電源具温。當(dāng)總線空閑時(shí)蚕涤，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平铣猩，都將使總線的信號(hào)變低揖铜，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

image.png

每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址达皿。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件天吓，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器峦椰。 在多主機(jī)系統(tǒng)中龄寞，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂汤功， I2C總線要通過(guò)總線仲裁物邑，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線。

I2C總線數(shù)據(jù)傳送

一冤竹、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定
I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)拂封，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定鹦蠕，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間冒签，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

image.png

二钟病、起始和終止信號(hào)
SCL線為高電平期間萧恕，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)刚梭；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)票唆。

image.png

起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的朴读，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)走趋；在終止信號(hào)產(chǎn)生后衅金，總線就處于空閑狀態(tài)。
連接到I2C總線上的器件簿煌，若具有I2C總線的硬件接口氮唯，則很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào)。
接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后姨伟，有可能需要完成一些其它工作惩琉，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)夺荒，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平瞒渠，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)技扼，再釋放SCL線使之為高電平伍玖，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。

由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)）淮摔，它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平私沮，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送始赎。
如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答和橙，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過(guò)對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)造垛，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送魔招。
當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后五辽，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)办斑。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后杆逗，從機(jī)釋放SDA線乡翅，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

I2C 數(shù)據(jù)幀格式
I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的罪郊，既包括地址信號(hào)蠕蚜，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。
在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位）悔橄，第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T）靶累，用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T）腺毫，“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束挣柬。但是潮酒，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)邪蛔，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址急黎。
在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：
a侧到、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)叁熔，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過(guò)程中不變

image.png

注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送床牧。
A表示應(yīng)答荣回， A非表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)戈咳，P表示終止信號(hào)心软。
b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后著蛙，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)

image.png

image.png

I2C總線尋址

I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）顷蟆。
（1）尋址字節(jié)的位定義

image.png

D7～D1位組成從機(jī)的地址诫隅。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)帐偎，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)逐纬。

主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較削樊，如果相同豁生，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器漫贞。
從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成甸箱。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目迅脐。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位芍殖，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件仪际，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中围小。

典型信號(hào)模擬

為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性昵骤，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號(hào)肯适、終止信號(hào)变秦、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時(shí)序 ：

image.png

（1）起始信號(hào)
Void I2CStart(void)
{       SDA = 1;
    SomeNop(  );
    SCL = 1;
    SomeNop(  );
    SDA = 0;
    SomeNop(  );
}

（2）終止信號(hào)
void I2cStop(void)
{
    SDA = 0;
    SomeNop(  );
    SCL = 1;
    SomeNop(  );
    SDA = 1;
    SomeNop(  );
}

與EEPROM通信過(guò)程

寫入過(guò)程：
AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分為1010，A2框舔、A1蹦玫、A0引腳接高、低電平后得到確定的3位編碼刘绣。形成的7位編碼即為該器件的地址碼樱溉。
單片機(jī)進(jìn)行寫操作時(shí)，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位纬凤，即一個(gè)字節(jié)）福贞，發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。被選中的存儲(chǔ)器器件在確認(rèn)是自己的地址后停士，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)作為相應(yīng)挖帘，單片機(jī)收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。
傳送數(shù)據(jù)時(shí)恋技，單片機(jī)首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的地址作為寫入器件的存儲(chǔ)區(qū)的首地址拇舀，收到存儲(chǔ)器器件的應(yīng)答后，單片機(jī)就逐個(gè)發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)蜻底，但每發(fā)送一個(gè)字節(jié)后都要等待應(yīng)答骄崩。
AT24C系列器件片內(nèi)地址在接收到每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動(dòng)加1，在芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”（不同芯片字節(jié)數(shù)不同）限度內(nèi)薄辅，只需輸入首地址要拂。裝載字節(jié)數(shù)超過(guò)芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”時(shí)，數(shù)據(jù)地址將“上卷”长搀，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋宇弛。
當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后鸡典，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束寫入操作源请。寫入n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式 ：

image.png

讀出過(guò)程
單片機(jī)先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（“偽寫”），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)彻况。被選中的存儲(chǔ)器器件在確認(rèn)是自己的地址后谁尸，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)作為回應(yīng)。
然后纽甘，再發(fā)一個(gè)字節(jié)的要讀出器件的存儲(chǔ)區(qū)的首地址良蛮，收到應(yīng)答后，單片機(jī)要重復(fù)一次起始信號(hào)并發(fā)出器件地址和讀方向位（“1”）悍赢，收到器件應(yīng)答后就可以讀出數(shù)據(jù)字節(jié)决瞳，每讀出一個(gè)字節(jié)货徙，單片機(jī)都要回復(fù)應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀完后皮胡，單片機(jī)應(yīng)返回以“非應(yīng)答”（高電平）痴颊，并發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束讀出操作。

image.png

image.png

image.png