I2C總線(xiàn)協(xié)議（內(nèi)訓(xùn)）第一節(jié) I2C總線(xiàn)介紹1.1 概述 I2C(Inter－IntegratedCircuit)總線(xiàn)是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線(xiàn)產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開(kāi)發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行查詢(xún)，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。1.2 I2C總線(xiàn)特性只要求兩條總線(xiàn)線(xiàn)路一條串行數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA）;一條串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。每個(gè)連接到總線(xiàn)的器件都有唯一的地址;主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器。它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線(xiàn),如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)沖突檢測(cè)和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)400kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。片上的濾波器可以濾去總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的毛刺波，保證數(shù)據(jù)完整。連接到相同總線(xiàn)的IC數(shù)量只受到總線(xiàn)的最大電容400pF限制。1.3 I2C總線(xiàn)的概念

I2C總線(xiàn)為兩線(xiàn)總線(xiàn)――串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）線(xiàn)在連接到總線(xiàn)的器件間傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別（無(wú)論是微控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤(pán)接口），而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器（由器件的功能決定）。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以被看作是主機(jī)或從機(jī)。主機(jī)是初始化總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。I2C總線(xiàn)是一個(gè)多主機(jī)的總線(xiàn)。這就是說(shuō)可以連接多于一個(gè)能控制總線(xiàn)的器件到總線(xiàn)。在I2C總線(xiàn)上產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)通常是主機(jī)器件的責(zé)任；當(dāng)在總線(xiàn)上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)主機(jī)產(chǎn)生自己的時(shí)鐘信號(hào)。主機(jī)發(fā)出的總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)只有在以下的情況才能被改變：慢速的從機(jī)器件控制時(shí)鐘線(xiàn)并延長(zhǎng)時(shí)鐘信號(hào)，或者在發(fā)生仲裁時(shí)被另一個(gè)主機(jī)改變

（表1）1.4 總體特征 SDA和SCL都是雙向線(xiàn)路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓（見(jiàn)下圖)。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，這兩條線(xiàn)路都是高電平。連接到總線(xiàn)的器件輸出級(jí)必須是漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路才能執(zhí)行線(xiàn)與的功能。第二節(jié) I2C總線(xiàn)傳輸2.1 數(shù)據(jù)的有效性 SDA線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線(xiàn)的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。時(shí)鐘都是由主機(jī)發(fā)出的。2.2 起始和停止條件

在I2C總線(xiàn)中，唯一出現(xiàn)的是被定義為起始（S）和停止（P）條件（見(jiàn)圖

）的情況。

在SCL線(xiàn)是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)從高電平向低電平切換。這個(gè)情況表示起始條件。當(dāng)SCL是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)由低電平向高電平切換表示停止條件。

起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生。總線(xiàn)在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài)。在停止條件的某段時(shí)間后，總線(xiàn)被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。 如果產(chǎn)生重復(fù)起始（Sr）條件而不產(chǎn)生停止條件，總線(xiàn)會(huì)一直處于忙的狀態(tài)此時(shí)的起始條件（S）和重復(fù)起始（Sr）條件在功能上是一樣的。 如果連接到總線(xiàn)的器件合并了必要的接口硬件，那么用它們檢測(cè)起始和停止條件十分簡(jiǎn)便。但是，沒(méi)有這種接口的微控制器在每個(gè)時(shí)鐘周期至少要采樣SDA線(xiàn)兩次來(lái)判別有沒(méi)有發(fā)生電平切換。2.3 字節(jié)格式

發(fā)送到SDA線(xiàn)上的每個(gè)字節(jié)必須為8位。每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（MSB）（見(jiàn)圖6）。如果從機(jī)要完成一些其他功能后（例如一個(gè)內(nèi)部中斷服務(wù)程序）才能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，可以使時(shí)鐘線(xiàn)SCL保持低電平迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時(shí)鐘線(xiàn)SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。 2.4 響應(yīng)

數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)。相關(guān)的響應(yīng)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生。在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放SDA線(xiàn)（高）。 在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，接收器必須將SDA線(xiàn)拉低，使它在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平（見(jiàn)圖

）。此時(shí)發(fā)送器讀取SDA線(xiàn)，當(dāng)在相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間讀到低電平時(shí)表示應(yīng)答成功。 通常被尋址的接收器在接收到的每個(gè)字節(jié)后，必須產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)。 當(dāng)從機(jī)不能響應(yīng)從機(jī)地址時(shí)（例如它正在執(zhí)行一些實(shí)時(shí)函數(shù)不能接收或發(fā)送），從機(jī)必須使數(shù)據(jù)線(xiàn)保持高電平。主機(jī)然后產(chǎn)生一個(gè)停止條件終止傳輸或者產(chǎn)生重復(fù)起始條件開(kāi)始新的傳輸。 如果從機(jī)--接收器響應(yīng)了從機(jī)地址但是在傳輸了一段時(shí)間后不能接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)，主機(jī)必須再一次終止傳輸。這個(gè)情況用從機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后沒(méi)有產(chǎn)生響應(yīng)來(lái)表示。從機(jī)使數(shù)據(jù)線(xiàn)保持高電平，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。 如果傳輸中有主機(jī)接收器，它必須通過(guò)在從機(jī)不產(chǎn)生時(shí)鐘的最后一個(gè)字節(jié)不產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，向從機(jī)發(fā)送器通知數(shù)據(jù)結(jié)束。從機(jī)--發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線(xiàn)，允許主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。2.5 7位從設(shè)備地址格式

數(shù)據(jù)的傳輸遵循下圖所示的格式。在起始條件（S）后，發(fā)送了一個(gè)從機(jī)地址。這個(gè)地址共有7位，緊接著的第8位是數(shù)據(jù)方向位（R/W）---‘0’表示發(fā)送（寫(xiě)），‘1’表示請(qǐng)求數(shù)據(jù)（讀）。數(shù)據(jù)傳輸一般由主機(jī)產(chǎn)生的停止位（P）終止。但是，如果主機(jī)仍希望在總線(xiàn)上通訊，它可以產(chǎn)生重復(fù)起始條件（Sr）和尋址另一個(gè)從機(jī)，而不是首先產(chǎn)生一個(gè)停止條件。在這種傳輸中可能有不同的讀寫(xiě)格式結(jié)合。2.5.1 可能的傳輸格式（一）

主機(jī)--發(fā)送器發(fā)送到從機(jī)--接收器.傳輸?shù)姆较虿粫?huì)改變。2.5.2 可能的傳輸格式（二）

在第一個(gè)字節(jié)后，主機(jī)立即讀從機(jī)。在第一次響應(yīng)時(shí)，主機(jī)--發(fā)送器變成主機(jī)--接收器，從機(jī)--接收器變成從機(jī)--發(fā)送器。第一次響應(yīng)仍由從機(jī)產(chǎn)生。之前發(fā)送了一個(gè)不響應(yīng)信號(hào)的主機(jī)產(chǎn)生停止條件。2.5.3 可能的傳輸格式（三）

復(fù)合格式。傳輸改變方向的時(shí)侯，起始條件和從機(jī)地址都會(huì)被重復(fù)。但R/W位取反。如果主機(jī)接收器發(fā)送一個(gè)重復(fù)起始條件，它之前應(yīng)該發(fā)送了一個(gè)不響應(yīng)信號(hào)。2.6第一個(gè)字節(jié)（從設(shè)備地址）的保留定義2.7 廣播呼叫2.7.1廣播呼叫（1）

廣播呼叫地址是用來(lái)尋址連接到I2C總線(xiàn)上的每個(gè)器件。使用這個(gè)地址時(shí)，理論上所有器件都會(huì)發(fā)出一個(gè)響應(yīng)，但是如果器件在廣播呼叫結(jié)構(gòu)中不需要任何數(shù)據(jù)，它可以通過(guò)不發(fā)出響應(yīng)來(lái)忽略這個(gè)地址。如果器件要求從廣播呼叫地址得到數(shù)據(jù)，它會(huì)響應(yīng)這個(gè)地址并作為從機(jī)--接收器運(yùn)轉(zhuǎn)。第二個(gè)和接下來(lái)的字節(jié)會(huì)被能處理這些數(shù)據(jù)的每個(gè)從機(jī)--接收器響應(yīng)。廣播呼叫地址的含意通常在第二個(gè)字節(jié)說(shuō)明。 這里要考慮兩種情況

?當(dāng)最低位B是‘0’ ?當(dāng)最低位B是‘1’2.7.2廣播呼叫（2）

當(dāng)位B是‘0’時(shí)第二個(gè)字節(jié)的定義如下：

?00000110（H‘06’）。通過(guò)硬件寫(xiě)入和復(fù)位從機(jī)地址的可編程部分。接收到這個(gè)兩字節(jié)序列時(shí)，所有打算響應(yīng)這個(gè)廣播呼叫地址的器件將復(fù)位并接受它們地址的可編程部分。

?00000100（H‘04’）。通過(guò)硬件寫(xiě)從機(jī)地址的可編程部分。所有通過(guò)硬件定義地址可編程部分（和響應(yīng)廣播呼叫地址）的器件會(huì)在接收這兩個(gè)字節(jié)序列時(shí)鎖存可編程的部分。器件不會(huì)復(fù)位

?00000000（H‘00’）。這個(gè)代碼不允許在第二個(gè)字節(jié)使用注*編程過(guò)程的順序請(qǐng)參考相應(yīng)器件的數(shù)據(jù)表2.7.3廣播呼叫（3）

當(dāng)位B是‘1’時(shí)，這個(gè)兩字節(jié)序列是一個(gè)“硬件廣播呼叫”(通用呼叫命令)。即序列由一個(gè)硬件主機(jī)器件發(fā)送，例如鍵盤(pán)掃描器，它們不能編程來(lái)發(fā)送一個(gè)期望的從機(jī)地址。由于硬件主機(jī)預(yù)先不知道報(bào)文要傳輸給哪個(gè)器件，它只能產(chǎn)生這個(gè)硬件廣播呼叫和它自己的地址------讓系統(tǒng)識(shí)別它。這個(gè)地址被一個(gè)連接到總線(xiàn)的智能器件識(shí)別（例如：微控制器）并指引硬件主機(jī)的信息。如果硬件主機(jī)也可以作為從機(jī)，它的從機(jī)地址和主機(jī)地址一樣。2.8 起始字節(jié)2.8.1起始字節(jié)（1）

起始字節(jié)是提供給沒(méi)有I2C總線(xiàn)接口的單片機(jī)查詢(xún)I2C總線(xiàn)時(shí)使用的特殊字節(jié)。 有片上硬件I2C總線(xiàn)接口的微控制器可被編程為只由總線(xiàn)的請(qǐng)求中斷。而不具備I2C總線(xiàn)接口的單片機(jī)，則必須通過(guò)軟件不斷地檢測(cè)總線(xiàn)，以便及時(shí)地響應(yīng)總線(xiàn)的請(qǐng)求。因此，具有快速硬件器件的微控制器和依靠查詢(xún)的慢速微控制器有速度差別。為此，I2C總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長(zhǎng)的起始過(guò)程加以引導(dǎo)。2.8.2起始字節(jié)（2）

請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后，發(fā)送起始字節(jié)(00000001)，另一個(gè)單片機(jī)可以用一個(gè)比較低的速率采樣SDA線(xiàn)，直到檢測(cè)到起始字節(jié)中的7個(gè)“0”中的一個(gè)為止。在檢測(cè)到SDA線(xiàn)上的高電平后，單片機(jī)就可以用較高的采樣率，以便尋找作為同步信號(hào)使用的第二個(gè)起始信號(hào)Sr.

起始過(guò)程包括：?起始條件(S)?起始字節(jié)(00000001)?響應(yīng)時(shí)鐘脈沖(ACK)?重復(fù)起始條件(Sr)2.9 標(biāo)準(zhǔn)模式I2C總線(xiàn)規(guī)范的擴(kuò)展

標(biāo)準(zhǔn)模式I2C總線(xiàn)規(guī)范在80年代的初期已經(jīng)存在，它規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)100kbit/s而且7位尋址。這個(gè)概念在普及中迅速成長(zhǎng)，今天它已經(jīng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被全世界接受，而且PhilipsSemiconductors和其他供應(yīng)商提供了幾百種不同的兼容IC。為了符合更高速度的要求以及制造更多可使用的從機(jī)地址給數(shù)量不斷增長(zhǎng)的新器件，標(biāo)準(zhǔn)模式I2C總線(xiàn)規(guī)范不斷升級(jí)，到今天它提供了以下的擴(kuò)展：?快速模式位速率高達(dá)400kbit/s。?高速模式（Hs模式），位速率高達(dá)3.4Mbit/s?10位尋址，允許使用高達(dá)1024個(gè)額外的從機(jī)地址。 擴(kuò)展I2C總線(xiàn)規(guī)范主要有兩個(gè)原因：?現(xiàn)在很多應(yīng)用需要傳輸大量的串行數(shù)據(jù)，要求的位速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100kbit/s（標(biāo)準(zhǔn)模式），或者甚至是400kbit/s（快速模式）。半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)改進(jìn)的結(jié)果使I2C總線(xiàn)器件現(xiàn)在可以使用高達(dá)3.4Mbit/s（Hs）模式的位速率，而且接口電路的生產(chǎn)成本沒(méi)有任何明顯的提高。?由于使用7位尋址策略的大多數(shù)112地址能被立即分配，很顯然要求更多地址組合來(lái)防止為新器件分配從機(jī)地址的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以用新的10位尋址策略解決，它允許可使用的地址成10倍增長(zhǎng)。謝謝

每個(gè)I2Cdevice和走線(xiàn)都有