I2C總線協(xié)議的基礎(chǔ)知識

串口是傳感器、外設(shè)常用的接口，在低速器件中可以通過串口傳輸數(shù)據(jù)。高速復(fù)雜的器件，往往內(nèi)部存在很多寄存器，這些寄存器的配置一般也是采用串口通信，可以節(jié)省IO口。

常用串口大致分為UART、IIC、SPI三種，其中IIC時序稍微復(fù)雜，卻是最好用的串行接口。如下圖所示，主機(jī)通過兩根數(shù)據(jù)線，就可以與多個外設(shè)通信。

圖1 主機(jī)控制多個外設(shè)

主機(jī)想要通過UART與N個外設(shè)雙向通信，一般需要2*N個IO口。主機(jī)想要通過SPI與N個外設(shè)雙向通信，一般需要使用N+3個IO口。而如果使用IIC接口，那么只需要2個IO口。

因此IIC對于節(jié)省IO有較大優(yōu)勢，劣勢在于UART可以全雙工通信，SPI的時鐘線與數(shù)據(jù)線分開，傳輸速度最快，且UART和SPI的驅(qū)動設(shè)計一般比較簡單。而IIC由于只靠兩根線驅(qū)動多個傳感器，所以需要確認(rèn)主機(jī)與哪個傳感器建立連接（傳輸器件地址），然后在對器件內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫，導(dǎo)致通信速度不可能很高。

01I2C硬件接口

IIC主機(jī)或者從機(jī)的硬件接口如下圖所示，使用一個開漏/開集（如果是MOS管則漏極開路，如果是三極管則集電極開路）開路，在同一條線上有一個輸入緩沖區(qū)，允許數(shù)據(jù)線用于雙向傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 IIC硬件接口

三角形代表輸入緩沖器，準(zhǔn)確的說該接口只能通過FET輸出低電平，高電平依靠外部上拉電阻完成。

下圖是該接口輸出低電平的信號示意圖，當(dāng)需要輸出低電平時，F(xiàn)ET導(dǎo)通，VBUS下拉與GND連接，此時總線呈現(xiàn)低電平，如圖中紅色部分。

圖3 輸出低電平

當(dāng)從機(jī)或主機(jī)希望發(fā)送邏輯高電平時，只能通過關(guān)閉下拉場效應(yīng)管來釋放總線。使得總線浮動，上拉電阻將把電壓拉到電壓軌，表現(xiàn)為高電平。

圖4 輸出高電平

02I2C通信

IIC總線是一個標(biāo)準(zhǔn)的雙向接口，除非從機(jī)已被主機(jī)尋址，否則從機(jī)不能傳輸數(shù)據(jù)。IIC總線上的每個設(shè)備都有一個特定的設(shè)備地址，以區(qū)分同一IIC總線上的其他設(shè)備。許多從設(shè)備在啟動時需要配置來設(shè)置設(shè)備的行為，通常是在主機(jī)訪問從機(jī)的內(nèi)部寄存器時完成。

物理IIC接口由串行時鐘(SCL)和串行數(shù)據(jù)(SDA)線組成，SDA和SCL線路都必須通過上拉電阻連接到VCC。只有當(dāng)總線空閑時才可以開始數(shù)據(jù)傳輸，如果SDA和SCL線在停止條件后都為高電平，則總線空閑。

先總體看下經(jīng)典的IIC讀、寫器件寄存器時序，然后在具體分析起始位、停止位、應(yīng)答、傳輸數(shù)據(jù)的SCL和SDA波形。

下圖是主機(jī)通過IIC寫從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)的步驟，首先主機(jī)向從機(jī)發(fā)送起始位，然后發(fā)送7位從機(jī)器件地址，之后會發(fā)送一位讀寫操作信號，從機(jī)應(yīng)答主機(jī)（ACK為低電平）后，向從機(jī)發(fā)送寄存器地址（這個寄存器地址為8位，但是有的器件可能會有16位或者24位寄存器地址，就需要發(fā)送三次這種時序）。等待從機(jī)應(yīng)答之后，主機(jī)把需要寫入寄存器的數(shù)據(jù)輸出，等待從機(jī)應(yīng)答后，主機(jī)發(fā)送停止條件，結(jié)束本次通信。注意不管是器件地址還是寄存器地址，亦或者是數(shù)據(jù)，都是先傳輸高位數(shù)據(jù)。

圖5 IIC主機(jī)向從機(jī)寄存器寫入數(shù)據(jù)

上圖中灰色方塊表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，白色表示從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

下圖是主機(jī)通過IIC讀取從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)的步驟，主機(jī)依次向從機(jī)發(fā)送起始位、器件地址、寄存器地址，等待從機(jī)應(yīng)答之后，在次向從機(jī)發(fā)送起始信號，然后發(fā)送器件地址，此時讀寫位位高電平，表示讀出數(shù)據(jù)，然后從機(jī)就會把該器件該寄存器地址的數(shù)據(jù)依次輸出，數(shù)據(jù)接收完成后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送不應(yīng)答指令（如果發(fā)送應(yīng)答指令，則從機(jī)會把下個寄存器地址的數(shù)據(jù)繼續(xù)輸出到總線上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀取寄存器數(shù)據(jù)），然后發(fā)送停止位，完成寄存器數(shù)據(jù)的讀取。

圖6 IIC主機(jī)向從機(jī)寄存器讀出數(shù)據(jù)

上圖中灰色方塊表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，白色表示從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在了解了讀寫寄存器的步驟后，在來查看IIC的一些細(xì)節(jié)時序，由于主機(jī)和從機(jī)都會在時鐘SCL的高電平采集SDA的狀態(tài)，因此在傳輸數(shù)據(jù)時，SDA在SCL的低電平的時候更新數(shù)據(jù)，在SCL高電平階段盡量保持不變。

只有兩種情況，SDA會在SCL的高電平期間電平發(fā)生變化，即起始位和停止位，時序圖如下所示：

圖7 IIC通信的起始位和停止位時序圖

起始位：SCL為高電平，SDA從高電平變?yōu)榈碗娖奖硎酒鹗嘉唬ㄒ驗(yàn)榭臻e時SDA是高電平，SDA變?yōu)榈碗娖酱黹_始傳輸數(shù)據(jù)）。

停止位：SCL為高電平時，SDA從低電平變?yōu)楦唠娖奖硎就Ｖ刮弧?/p>

重復(fù)起始條件（圖6中紅色字體的時序）：時序與起始條件一樣，用于代替連續(xù)的停止然后開始條件。當(dāng)總線未空閑時，主機(jī)希望啟動新的通信，但不希望發(fā)送停止信號釋放總線，就可以直接發(fā)送重復(fù)起始條件，開啟信號通信。因?yàn)橥Ｖ箺l件有可能使主機(jī)失去對總線的控制(在多主機(jī)環(huán)境中)。

如圖8所示，在SCL的每個時鐘脈沖期間傳輸一個數(shù)據(jù)位，每次傳輸8位數(shù)據(jù)后需要從機(jī)應(yīng)。8位數(shù)據(jù)可以是設(shè)備地址、寄存器地址，也可以是寫入或讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)首先傳輸最高有效位(MSB)。在START和STOP條件之間，可以將任意字節(jié)的數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)。在傳輸數(shù)據(jù)過程中SDA必須在SCL低電平時更新狀態(tài)，在SCL為高電平時SDA線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，因?yàn)楫?dāng)SCL高時，SDA的變化被解釋為控制命令(START或STOP)。

圖8 單字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時序圖

每個字節(jié)(包括地址字節(jié))后面都有一個來自接收方的ACK位，ACK位允許接收方與發(fā)送方通信，表明該字節(jié)已成功接收，并且可以發(fā)送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)。

在接收方發(fā)送ACK之前，發(fā)送方必須釋放SDA線。如下圖9所示，為了發(fā)送ACK位，接收方需要在ACK/NACK相關(guān)時鐘周期(周期9)的低電平期間拉低SDA線，使SDA線在ACK/ NACK相關(guān)時鐘周期的高相位穩(wěn)定在低電平。設(shè)置和保持時間必須考慮在內(nèi)。

圖9 NACK波形

當(dāng)SDA在與ACK/NACK相關(guān)的時鐘周期內(nèi)保持高位時，則不應(yīng)答（NACK）。有幾個條件會導(dǎo)致NACK的產(chǎn)生：

從機(jī)無法接收或發(fā)送，因?yàn)樗趫?zhí)行一些實(shí)時功能，還沒有準(zhǔn)備好開始與主機(jī)通信。

在傳輸過程中，接收方接收到它不理解的數(shù)據(jù)或命令。

在傳輸過程中，接收方不能再接收任何數(shù)據(jù)字節(jié)。

主機(jī)讀取從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)后，通過NACK表示終止從機(jī)寄存器數(shù)據(jù)的讀取。

03總結(jié)

IIC接口是開漏/開集輸出的硬件接口，只能主動輸出低電平。當(dāng)需要輸出高電平時，會釋放總線(對外表現(xiàn)高阻態(tài))，被外部上拉電阻上拉到VCC，從而實(shí)現(xiàn)高電平，所以上拉電阻必須存在。

SDA在傳輸數(shù)據(jù)時只能在SCL的低電平期間變化，如果SCL為高電平，SDA從高電平變?yōu)榈碗娖?，則表示起始位或者重復(fù)起始位，SDA從低電平變?yōu)楦唠娖絼t便是停止位。

每當(dāng)傳輸一字節(jié)數(shù)據(jù)后，接收方需要產(chǎn)生一個應(yīng)答位（ACK低電平表示應(yīng)答），之后發(fā)送方才能傳輸下一字節(jié)數(shù)據(jù)。

在起始位和停止位之間，可以傳輸任意字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是器件地址、寄存器地址、寫入或讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)。

上述的總結(jié)來自于TI的IIC總線手冊，需要該手冊的可以在公眾號后臺回復(fù)“I2C手冊”（不包括引號）。

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