i2c總線協(xié)議的工作原理詳解

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? ? ? ? ?一、概述

　　1、I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。 SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動(dòng)EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。（邊沿觸發(fā)）

　　SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成\線與\關(guān)系。

　　I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平（SDL=1;SCL=1）。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

　　2、主設(shè)備與從設(shè)備

　　系統(tǒng)中的所有外圍器件都具有一個(gè)7位的\從器件專用地址碼\，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由使用者定義。主控器件通過地址碼建立多機(jī)通信的機(jī)制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個(gè)器件，其系統(tǒng)仍然為簡約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端必須是帶有CPU的邏輯模塊，在同一總線上同一時(shí)刻使能有一個(gè)主端，可以有多個(gè)從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容 400pF的限制。

　　主端主要用來驅(qū)動(dòng)SCL line； 從設(shè)備對(duì)主設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)；

　　二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備控制的。

　　二、協(xié)議

? ? ? ?1.空閑狀態(tài)

　　I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。

　　此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

　　2.起始位與停止位的定義： 起始信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

　　停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

　　起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

　　接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。

　　3.ACK

　　發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。 對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。 如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。

　　如下圖邏輯分析儀的采樣結(jié)果：釋放總線后，如果沒有應(yīng)答信號(hào)，sda應(yīng)該一直持續(xù)為高電平，但是如圖中藍(lán)色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應(yīng)答信號(hào)。 這里面給我們的兩個(gè)信息是：1）接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；2）應(yīng)答信號(hào)一直保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識(shí)所指出的那樣。

　　4.數(shù)據(jù)的有效性：

　　I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

　　5.數(shù)據(jù)的傳送：

　　在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。