I2C接口（1）：IIC协议深度解析---从基础到高级特性

1 引言

      在嵌入式系统设计中，I2C（Inter-Integrated Circuit）总线因其简单的两线设计和灵活的多设备支持，成为最常用的串行通信协议之一。本文将深入解析I2C协议的各个方面，为后续的FPGA实现和调试实践打下坚实基础。

2 I2C协议基础概览

2.1  什么是I2C？

       I2C是由飞利浦半导体（现NXP半导体）在1980年代开发的一种同步、半双工、多主从的串行通信总线。其核心特点是：

• 仅需两根信号线：SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）

• 支持多主多从：多个主设备可以共享同一总线

• 软件地址寻址：通过地址识别不同从设备

2.2  物理层特性

3 I2C通信时序详解

3.1 基本时序单元

起始条件（START）

// 时序要求：SCL为高时，SDA从高变低
// 代码表示：
scl = 1'b1;
sda = 1'b1;  // 初始状态
#(setup_time);
sda = 1'b0;  // 起始条件
#(hold_time);
scl = 1'b0;  // 准备数据传输

停止条件（STOP）

// 时序要求：SCL为高时，SDA从低变高
scl = 1'b0;
sda = 1'b0;  // 确保SDA在SCL变高前稳定
#(setup_time);
scl = 1'b1;
#(setup_time);
sda = 1'b1;  // 停止条件

重复起始条件（Repeated START）

用于在不释放总线的情况下开始新的传输，提高了总线利用率。

3.2 起始和停止时序

       所有传输都以起始信号（S）开始，并以停止信号（P）结束（见图 5）。当串行时钟线（SCL）为高电平时，串行数据线（SDA）上由高到低的跳变定义为起始条件。当 SCL 为高电平时，SDA 上由低到高的跳变定义为停止条件。

       起始（START）和停止（STOP）条件始终由控制器生成。在起始条件之后，总线被视为处于忙状态。在停止条件之后的某一特定时间，总线再次被视为空闲。这种总线空闲状态在第6节中有具体说明。

    

       如果产生的是重复起始（Sr）条件而非停止条件，则总线保持忙状态。在这方面，起始（S）和重复起始（Sr）条件在功能上是相同的。

3.3 数据传输时序

      I2C总线的数据传输遵循严格的格式规范，所有通信都由起始条件(S)开始，由停止条件(P)结束。数据传输的基本流程如下：

      起始条件(S) → 目标地址(7位) → 方向位(R/W) → 确认位(ACK) → 数据字节 → 确认位 → ... → 停止条件(P)

4 三种基本传输模式

4.1 模式一：控制器写操作

控制器-发送器 → 目标-接收器

• 特点：传输方向保持不变

• 确认机制：每个数据字节后由目标设备产生ACK

4.2 模式二：控制器读操作

控制器-接收器 ← 目标-发送器

• 角色转换：第一个ACK后，控制器变为接收器，目标变为发送器

• 确认机制：

  • 第一个ACK由目标设备产生

  • 后续ACK由控制器产生

  • 最后一个字节后控制器发送NACK，然后产生停止条件

4.3 模式三：组合传输模式

混合读写操作

• 特点：通过重复起始条件(Sr)改变传输方向

• 方向反转：重复起始条件后，R/W位反转

• 应用场景：常用于串行存储器操作

4.4 关键技术要点

重复起始条件(Sr)的优势

• 保持总线控制：无需释放总线即可开始新的传输

• 提高效率：减少总线占用时间

• 原子操作：确保相关操作的完整性

确认机制规则

• 每个字节后必须跟随确认位

• ACK(确认) = 低电平(0)

• NACK(非确认) = 高电平(1)

• 最后一个读取字节：控制器必须发送NACK

4.5 特殊情况和注意事项

非法格式处理

• 空消息：起始条件后立即跟随停止条件属于非法格式

• 设备兼容性：多数现代设备能够正确处理这种异常情况

设备地址管理

• 唯一地址：每个设备必须有唯一的7位地址

• 组播支持：多个相同地址设备可同时响应（需特殊设计）

• 总线切换器：使用如PCA9546A等设备实现多设备管理

总线逻辑复位

所有I2C兼容设备在检测到起始条件或重复起始条件时，必须：

• 重置总线逻辑

• 准备接收目标地址

• 即使格式不正确也要响应

4.6 实际应用示例：串行存储器访问

// 典型的串行存储器读写序列
// 1. 写入存储器地址
START + 设备地址(写) + ACK + 存储器地址 + ACK
// 2. 重复起始条件改变方向  
Sr + 设备地址(读) + ACK
// 3. 读取数据
数据字节1 + ACK + 数据字节2 + ACK + ... + 数据字节N + NACK + STOP

5 I2C数据帧结构

5.1 完整的通信帧

[START] + [7位地址] + [R/W位] + [ACK] + [8位数据] + [ACK] + ... + [STOP]

5.2 地址帧格式

5.2.1 7位地址模式

5.2.2 10位地址模式

      10位寻址是I2C总线协议的重要扩展，它显著增加了可用的设备地址数量。这种寻址模式与传统的7位寻址完全兼容，可以在同一总线上混合使用，并支持所有速度模式，尽管目前在业界尚未得到广泛应用。

地址格式组成

10位地址由起始条件后的两个连续字节构成：

地址空间分配

• 可用地址：4 × 256 = 1024个地址

• 保留空间：前缀11111XXX保留给未来扩展使用

• 实际使用：前缀11110XX用于10位寻址

10位寻址通信流程

控制器写操作（10位地址）

匹配过程：

1. 所有10位设备比较第一字节的前7位(11110+A9+A8)

2. 匹配设备检查R/W位是否为0（写操作）

3. 多个设备可能产生A1应答

4. 匹配设备比较第二字节的完整8位地址

5. 唯一匹配的设备产生A2应答，进入被寻址状态

控制器读操作（10位地址）

关键特性：

• 需要重复起始条件(Sr)来改变传输方向

• 第二次地址发送时R/W位变为1（读操作）

• 匹配设备会"记住"之前的寻址，只比较地址前缀

5.3 特殊功能处理

广播呼叫支持

10位寻址设备对广播呼叫(地址0x00)的响应方式与7位设备完全相同。在广播呼叫后，控制器可以发送其10位地址，格式为：

广播呼叫地址(0x00) + ACK + 地址低8位 + ACK + 地址高2位 + ACK

起始字节功能

起始字节00000001(0x01)可以像7位寻址那样用于10位寻址之前，为低速微控制器提供额外的准备时间。

状态保持机制

被成功寻址的10位设备将保持被寻址状态，直到：

• 接收到停止条件(P)

• 接收到重复起始条件(Sr)后跟不同的目标地址

6 I2C传输模式与速度等级

标准模式（Standard-mode）

• 速度：最高100 kbit/s

• 特性：基础通信，兼容性最好

快速模式（Fast-mode）

• 速度：最高400 kbit/s

• 新增特性：

  • 更严格的时序要求

  • 输入滤波减少噪声敏感度

  • 更快的上升时间

快速模式+（Fast-mode Plus）

• 速度：最高1 Mbit/s

• 特性：更高的驱动能力要求

高速模式（High-speed mode）

• 速度：最高3.4 Mbit/s

• 特殊机制：

  • 需要主设备在传输开始后切换到高速模式

  • 使用电流源上拉代替电阻上拉

7 电气特性与信号完整性

7.1 开漏输出特性

// I2C设备只能驱动低电平，无法驱动高电平
assign sda = (sda_oe) ? 1'b0 : 1'bz;
assign scl = (scl_oe) ? 1'b0 : 1'bz;

// 高电平由上拉电阻提供
// VCC ---- RP ---- SDA/SCL

7.2 典型电阻值选择

模式	总线电容	推荐电阻	备注
标准模式	<100pF	10kΩ	低功耗
标准模式	100-200pF	4.7kΩ	通用
快速模式	100-200pF	2.2kΩ	高速
高速模式	<100pF	电流源	特殊设计

8 官方协议文档获取

1. NXP官网: https://www.nxp.com/products/interfaces/i2c

2. 搜索关键词: "I2C-bus specification UM10204"

总结

      I2C协议虽然简单，但包含了丰富的特性和严格的时间要求。深入理解协议的每个细节是设计稳定可靠I2C系统的基础。