I2C总线协议

目录

一、I2C物理层

二、I2C协议层

1. I2C 基本读写过程

1.1、写数据

1.2、读数据

1.3、读和写数据

2.通讯的起始和停止信号

3.数据有效性

4.地址及数据方向

5.响应

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、 CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

一、I2C物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式如下图1所示。

图1  常见的I2C通讯系统

它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
(2) 一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

二、I2C协议层

 I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

1. I2C 基本读写过程

先看看 I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 2、 图 3 及图 4。
图2 主机写数据到从机图3 主机由从机中读取数据图4  I2C通讯复合格式 

 图例：数据由主机传输到从机。          数据由从机传输到主机。

S：传输开始信号。         P：停止传输信号。    ：应答（ACK）或非应答（NACK）信号。

SLAVE_ADDRESS：7位或10位从机地址（高位在前，低位在后），最后一位是读操作或写操作。

 ：传输方向选择位，1为读操作，0为写操作。

 这些图表示的是主机和从机通讯时， SDA 线的数据包序列。

        其中 S 表示由主机的 I2C 接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C 总线上的所有
从机都会接收到这个信号。
    起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播 的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。 在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的， 当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C 协议，这个从机地址可以是 7 位或 10 位。
        在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1 时，则相反，即主机由从机读数据。
        从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。可用这一特性判断I2C设备是否通讯正常。

1.1、写数据

         若配置的方向传输位为“写数据”方向， 即第一幅图的情况， 广播完地址，主机接收到从机应答信号后， 主机开始正式向从机传输要进行数据操作的地址或寄存器的地址。主机接收到从机应答信号后，开始传输数据(DATA)，数据包的大小为 8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

图5 AT24C02的字节写数据操作

1.2、读数据

        若配置的方向传输位为“读数据”方向， 即第二幅图的情况， 广播完地址，接收到应答信号后， 从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。AT24C02的当前地址读操作只返回一个字节的数据，因此主机没有应答信号。

 图6  AT24C02的当前地址读数据操作

1.3、读和写数据

        除了基本的读写， I2C 通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

 图7  AT24C02随机读数据操作

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

2.通讯的起始和停止信号

        前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 8。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

图8   起始和停止信号

 /**
  * @brief  I2C_Start  主机向I2C总线发起启动信号
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void	I2C_Start(void)
{
	//当SCL在高电平期间，SDA出现一个下降沿表示I2C总线启动
	I2C_SDA_1();     //拉高数据线
	I2C_SCL_1();     //拉高时钟线
	I2C_Delay();     //延时
	I2C_SDA_0();     //产生下降沿
	I2C_Delay();     //延时
	I2C_SCL_0();     //拉低时钟线
}

 /**
  * @brief  I2C_Stop  主机向I2C总线发起停止信号
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void	I2C_Stop(void)
{
		//当SCL有高电平时，SDA出现一个上升沿表示I2C总线停止
		I2C_SDA_0();    //拉低数据线
		I2C_SCL_1();    //拉高时钟线
		I2C_Delay();    //延时
		I2C_SDA_1();    //产生上升沿
} 

3.数据有效性

        I2C 使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL 信号线进行数据同步。见图 9。 SDA数据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时， SCL 为高电平的时候 SDA 表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL为低电平时， SDA 的数据无效，一般在这个时候 SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

图9  数据有效性

                每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

 /**
  * @brief  I2C_SendByte  主机向I2C总线设备发送8bit数据
  * @param  byte ： 要发送的字节
  * @retval 无
  */
void I2C_SendByte(u8 byte)
{
		u8 i;
	//先发送字节的高位bit7，最后发送字节的低位bit0
		for(i = 0; i<8; i++)
		{
				if(byte & 0x80)  I2C_SDA_1();
				else             I2C_SDA_0();
				I2C_SCL_1();       //拉高时钟线
				I2C_Delay();       //延时
				I2C_SCL_0();       //拉低时钟线
				byte <<= 1;         //左移一位
				I2C_Delay();        //延时
		}
}
 /**
  * @brief  I2C_ReadByte  主机从I2C总线设备读取8bit数据
  * @param  无
  * @retval 返回的数据
  */
u8 I2C_ReadByte(void)
{
		u8 i;
		u8 value=0;
	//读到的第1个bit为数据的bit7
		for(i=0; i<8; i++)
		{
				value <<= 1;
				I2C_SCL_1();       //SDA在SCL高电平期间读取数据 
				if(I2C_SDA_READ())  //GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO_PORT, I2C_SDA_PIN)
				{
					value++;
				}
				I2C_SCL_0();       //SDA在SCL低电平期间变换数据
				I2C_Delay();
		}
		return value;
}

4.地址及数据方向

        I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。 I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位()，第 8 位或第 11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 10

 图10  设备地址（7位）及数据传输方向

        读数据方向时，主机会释放对 SDA 信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时， SDA 由主机控制，从机接收信号。

5.响应

        I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 11

图11  响应与非响应信号

        传输时主机产生时钟，在第 9 个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制 SDA，若 SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

 /**
  * @brief  I2C_WaitAck  CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
  * @param  无
  * @retval 返回0表示正确应答，1表示无器件响应
  */
u8 I2C_WaitAck(void)
{
		u8 ack;
		I2C_SDA_1();  /* CPU释放SDA总线 */
		I2C_SCL_1();  /* CPU驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
		I2C_Delay();
	/* CPU读取SDA口线状态 */
		if(I2C_SDA_READ())   ack = 1;   //器件无响应    读取到SDA状态为高电平 
	  else                 ack = 0;   //器件正确应答  读取到SDA状态为低电平 
		I2C_SCL_0();
	  return ack;
} 
/**
  * @brief  I2C_Ack  CPU产生一个ACK信号 SCL高电平时SDA低电平 
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void I2C_Ack(void)
{	
		I2C_SDA_0();   /* CPU驱动SDA = 0 */
		I2C_SCL_1();   /* CPU产生1个时钟 */
		I2C_Delay();
		I2C_SCL_0();
		I2C_SDA_1();   /* CPU释放SDA总线 */
}
 /**
  * @brief  I2C_NAck  CPU产生1个NACK信号  SCL高电平时SDA高电平
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void I2C_NAck(void)
{
		I2C_SDA_1();   /* CPU驱动SDA = 1 */
		I2C_SCL_1();   /* CPU产生1个时钟 */
		I2C_Delay();
		I2C_SCL_0();
}

程序中使用的I2C_Delay是函数内定义的私有函数。

 /**
  * @brief  I2C_Delay  I2C总线位延迟，最快400KHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void I2C_Delay(void)
{
		u8 i;
		/*　
	 	下面的时间是通过逻辑分析仪测试得到的。
    工作条件：CPU主频72MHz ，MDK编译环境，1级优化
  
		循环次数为10时，SCL频率 = 205KHz 
		循环次数为7时，SCL频率 = 347KHz， SCL高电平时间1.5us，SCL低电平时间2.87us 
	 	循环次数为5时，SCL频率 = 421KHz， SCL高电平时间1.25us，SCL低电平时间2.375us 
	*/
		for(i=0;i<5;i++);	
}