通信教程03_I2C簡史 基礎(chǔ)原理及協(xié)議

本教程由作者strongerHuang于2019年09月原創(chuàng)發(fā)布。

標(biāo)簽：串口、 I2C、 通信

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1寫在前面

本打算先寫點UART相關(guān)內(nèi)容，但UART基礎(chǔ)知識在前面第一篇文章都簡單寫過，也相信大家不陌生，這里就不再次贅述。

I2C是目前使用較多的一種總線，一般用于連接各種從設(shè)備，比如：EEPROM存儲器、溫濕度傳感器、角速度計等。

額外提一句，初入職場的人有必要學(xué)習(xí)了解下，掌握I2C算是最基本的技能。

2I2C簡史

1980年，飛利浦公司為了讓各種低速設(shè)備（飛利浦芯片）連接起來，就開始著手研發(fā)通信的總線。

1982年，原始版本，使用了100KHz通信速率，提供7位地址，將總線上的器件數(shù)量限制為112（有幾個保留地址）。

1992年，發(fā)布第一個規(guī)范，增加了400kHz的快速模式以及擴(kuò)展的10位地址空間。

1998年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，通信速率要求越來越高，達(dá)到了高速3.4 MHz，再到后面升級至5MHz，同時使用差分信號以改進(jìn)抗噪聲能力等。

I2C版本歷史：

額外說一下SMBus：

1995年，英特爾在I2C基礎(chǔ)上推出了一種變體稱為“系統(tǒng)管理總線”（SMBus）。SMBus是一種更嚴(yán)格控制的格式，旨在最大限度地提高PC主板上支持IC之間通信的可預(yù)測性。

SMBus之間最顯著的區(qū)別在于它將速度限制在10kHz至100kHz之間，而I2C則可以支持0kHz至5MHz的器件。

3I2C基礎(chǔ)內(nèi)容

I2C：Inter-Integrated Circuit，字面意思是集成電路之間，是I2C Bus簡稱。

I2C只需要兩根電線，這兩根線最多可支持1008個從設(shè)備，實現(xiàn)同步串行通信。

與SPI不同的是，I2C可以支持多主機(jī)，多從機(jī)的總線。

3.1 I2C兩線信號

每個I2C總線由兩個信號組成：SCL時鐘信號，SDA數(shù)據(jù)信號。時鐘信號總是由當(dāng)前總線主機(jī)產(chǎn)生。

與UART、SPI不同，I 2 C總線驅(qū)動器是開漏（不了解開漏的請自行百度），意思是它們可以將相應(yīng)的信號線拉低，但不能將其驅(qū)動為高電平。

每條信號線上都有一個上拉電阻，當(dāng)沒有器件將其置為低電平時，將信號恢復(fù)為高電平。

3.2 信號電平

通常，I2C總線信號電平5V、3.3V居多，如果總線上器件兼容這兩種電平，可以直接使用。

如果信號電壓相差很大（5V和2.5V），或者電平不兼容，就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才行。

4I2C協(xié)議

I2C對初學(xué)者來說，難點就在于理解其中協(xié)議，下面從幾個簡單角度說一下。

4.1 收發(fā)基本原理

I2C的兩個總線：SCL時鐘信號，SDA數(shù)據(jù)信號。SCL由主機(jī)產(chǎn)生，SDA由主機(jī)或者從機(jī)產(chǎn)生。

I2C是同步串行通信，同時它屬于半雙工，也就是說同一時間SDA只能由一個設(shè)備發(fā)送信號。

這樣，你就會發(fā)現(xiàn)，SDA上的信號（數(shù)據(jù)），有時候是主機(jī)的，有時候是從機(jī)的。

4.2 基本協(xié)議：7/10位地址

I2C支持7位地址和10位地址，消息主要分為兩種：地址和數(shù)據(jù)。

7位地址：

10位地址：

除了地址和數(shù)據(jù)，還有開始條件、停止條件、讀寫，以及應(yīng)答信息（上圖小字描述）。

4.3 開始和停止

SDA數(shù)據(jù)線由高 -> 低 為總線開始條件；

SDA數(shù)據(jù)線由低 -> 高 為總線結(jié)束條件；

4.4 應(yīng)答（ACK）和非應(yīng)答（ACK）

應(yīng)答和非應(yīng)答發(fā)生在每個字節(jié)之后，是由接收方向發(fā)送方發(fā)出確認(rèn)信號，表明“數(shù)據(jù)”已成功接收，并且可以繼續(xù)發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。

應(yīng)答有很多種情況，初學(xué)者可以參考協(xié)議手冊，里面有詳細(xì)講述。

I2C協(xié)議手冊地址：

https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf

我之前結(jié)合模擬I2C代碼講述I2C的文章：

更加深入理解I2C總線、協(xié)議及應(yīng)用

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