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长得越好看,身体越健康?

发布时间:2019-05-19

原标题:I2C总线通讯协议

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I2C总线通讯协议

1. I2C总线简介

I2C是Inter-Integrated Circuit的简称,读作:I-squared-C。由飞利浦公司于1980年代提出,为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边外部设备而发展。

主要用途:

SOC和周边外设间的通信(如:EEPROM,电容触摸芯片,各种Sensor等)。

1.1 物理接口

I2C总线只使用两条双向漏极开路的信号线(串行数据线:SDA,及串行时钟线:SCL),并利用电阻上拉。I2C总线仅仅使用SCL、SDA两根信号线,就实现了设备间的数据交互,极大地简化了对硬件资源和PCB板布线空间的占用。I2C总线广泛应用在EEPROM、实时时钟、LCD、及其他芯片的接口。I2C允许相当大的工作电压范围,典型的电压基准为:+3.3V或+5V。

SCL(Serial Clock):串行时钟线,传输CLK信号,一般是主设备向从设备提供
SDA(Serial Data):串行数据线,传输通信数据

I2C总线接口内部结构如下图所示:

I2C总线接口内部结构

I2C使用一个7bit的设备地址,一组总线最多和112个节点通信。最大通信数量受限于地址空间及400pF的总线电容。

常见的I2C总线以传输速率的不同分为不同的模式:标准模式(100Kbit/s)、低速模式(10Kbit/s)、快速模式(400Kbit/s)、高速模式(3.4Mbit/s),时钟频率可以被下降到零,即暂停通信。

该总线是一种多主控总线,即可以在总线上放置多个主设备节点,在停止位(P)发出后,即通讯结束后,主设备节点可以成为从设备节点。

主设备节点:产生时钟并发起通信的设备节点
从设备节点:接收时钟并响应主设备节点寻址的设备节点

 1)I2C通信双方地位不对等,通信由主设备发起,并主导传输过程,从设备按I2C协议接收主设备发送的数据,并及时给出响应。
 2)主设备、从设备由通信双方决定(I2C协议本身无规定),既能当主设备,也能当从设备(需要软件进行配置)。
 3)主设备负责调度总线,决定某一时刻和哪个从设备通信。同一时刻,I2C总线上只能有一对主设备、从设备通信。
 4)每个I2C从设备在I2C总线通讯中有一个I2C从设备地址,该地址唯一,是从设备的固有属性,通信中主设备通过从设备地址来找到从设备。

I2C总线多主设备结构如下图所示:

I2C总线多主设备结构

1.2 通讯特征

串行、同步、非差分、低速率

1)串行通信,所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输
2)同步通信,即双方工作在同一个时钟下,一般是通信的A方通过一根CLK信号线,将A设备的时钟传输到B设备,B设备在A设备传输的时钟下工作。同步通信的特征是:通信线中有CLK。
3)非差分,I2C通信速率不高,且通信距离近,使用电平信号通信。
4)低速率,I2C一般是同一个板子上的两个IC芯片间通信,数据量不大,速率低。速率:几百KHz,速率可能不同,不能超过IC的最高速率。

1.3 I2C总线状态

I2C总线上有两种状态:

空闲态:没有设备发生通信。
忙态:其中一个从设备和主设备通信,I2C总线被占用,其他从设备处于等待状态。

2. I2C总线通信协议

时序:在通信中时序是通信线上按时间顺序发生的电平变化,及这些电平变化对通信的意义。

每个通信周期都由一个起始位开始通信,由一个结束位结束通信,中间部分是传递的数据。

每个通信周期,主设备会先发8位的从设备地址(从设备地址由高7位的实际从设备地址和低1位的读/写标志位组成),主设备以广播的形式发送从设备地址,I2C总线上的所有从设备收到地址后,判断从设备地址是否匹配,不匹配的从设备继续等待,匹配的设备发出一个应答信号。

同一时刻,主设备、从设备只能有一个设备发送数据。

2.1 起始位和结束位

I2C总线通讯由起始位开始通讯,由结束位停止通讯,并释放I2C总线。起始位和结束位都由主设备发出。
起始位(S):在SCL为高电平时,SDA由高电平变为低电平
结束位(P):在SCL为高电平时,SDA由低电平变为高电平

如下图所示:

I2C的起始位与停止位

2.2 数据格式与应答

I2C数据以字节(即8bits)为单位传输,每个字节传输完后都会有一个ACK应答信号。应答信号的时钟是由主设备产生的。

应答(ACK):拉低SDA线,并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
非应答(NOACK):不要拉低SDA线(此时SDA线为高电平),并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平

在传输期间,如果从设备来不及处理主设备发送的数据,从设备会保持SCL线为低电平,强迫主设备等待从设备释放SCL线,直到从设备处理完后,释放SCL线,接着进行数据传输。

如下图所示:

I2C的数据格式与应答信号

2.3 数据传输通讯

开始数据传输后,先发送一个起始位(S),主设备发送一个地址数据(由7bit的从设备地址,和最低位的读/写标志位组成的8bit字节数据,该读写标志位决定数据的传输方向),然后,主设备释放SDA线,并等待从设备的应答信号(ACK)。每一个字节数据的传输都要跟一个应答信号位。数据传输以停止位(P)结束,并且释放I2C总线。

主设备可以不发送停止位(P),重复发送一个起始位(Sr)。

I2C的数据传输

注意:所有的数据传输过程中,SDA线的电平变化必须在SCL为低电平时进行,SDA线的电平在SCL线为高电平时要保持稳定不变。如下图所示:

I2C数据位变化与时钟线关系

3. 总结

本文讲述了I2C总线的特征和总线协议,具体的实现方法有两种:

一种是:I2C总线协议的软件模拟实现方法。
另一种是:Linux内核中I2C模块的实现方法。

编辑:乙安乙

发布:2019-05-19 11:30:41

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责任编辑:侯通华王

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