簡(jiǎn)述i2c總線的工作原理 i2c通信過(guò)程 i2c通信協(xié)議原理

一、I2C總線定義

要搞清楚一種總線，就跟了解一件事情的來(lái)龍去脈一樣，首先要弄清楚由來(lái)。

I2C是Inter-Intergrated Circuit的簡(jiǎn)稱，英文翻譯過(guò)來(lái)是：內(nèi)置集成電路。為什么I2C是內(nèi)置集成電路？I2C總線是由Philips公司在80年代初開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線，為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)用以連接低速的周邊設(shè)備而發(fā)展的，從這個(gè)字面上意思上來(lái)看，I2C是一種低速率的串行總線，為了解決低速設(shè)備接入高速設(shè)備而存在的。

I2C可以寫(xiě)成I2C、IIC，I2C之所以被廣泛應(yīng)用，因?yàn)檫@種通信總線比較簡(jiǎn)單，物理上只需要兩根線--串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線(SCL)，即可在連接于總線上的器件傳送信息。這里說(shuō)明一點(diǎn)，I2C僅限于板級(jí)間走線，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x受到一些參數(shù)限制，比如總線的負(fù)載電容、總線上的電流等等。既然是雙方或者多方通信，肯定會(huì)有發(fā)起的一方。我們將發(fā)起通信的這一方稱為主器件，主器件用來(lái)啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的作用下，去尋址從器件。此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸方向。主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。

二、工作原理

下圖是I2C總線電路的結(jié)構(gòu)分析，虛框內(nèi)是IC內(nèi)的電路，虛框外是外部電路。

從上圖可以看出：I2C兩根線：一根串行時(shí)鐘線SCL、一根串行數(shù)據(jù)線SDA，且兩根線對(duì)應(yīng)到器件的兩個(gè)pin均是雙向的，也就是說(shuō)主器件和從器件不是恒定不變的。

Pin腳的電路結(jié)構(gòu)為開(kāi)漏輸出（開(kāi)漏輸出的典型特點(diǎn)是需外接上拉電阻才能對(duì)外輸出高電平），所以需要通過(guò)上拉電阻接電源VCC，保證總線空閑時(shí)兩根線都是高電平，且能夠?qū)崿F(xiàn)高低電平的變化。總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)SCL電平為高時(shí)，SDA數(shù)據(jù)有效，且需要保持一定的時(shí)間；當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA數(shù)據(jù)無(wú)效，允許變化。

I2C總線有主從之分，連接總線的外部器件也都是CMOS器件，輸出級(jí)也都是開(kāi)漏電路，在總線上消耗的電流很小，這樣保證I2C總線不需要太大的電流驅(qū)動(dòng)能力。但I(xiàn)2C總線上可擴(kuò)展的器件數(shù)量主要是由電容負(fù)載來(lái)決定，因?yàn)槊總€(gè)器件的總線接口都有一定的等效電容，而線路中電容會(huì)影響總線傳輸速度，當(dāng)電容過(guò)大時(shí)，有可能造成傳輸錯(cuò)誤。所以需要根據(jù)不同的負(fù)載電容去估算支持的最大從設(shè)備數(shù)量。I2C總線的電容負(fù)載能力為400pF（通過(guò)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展可達(dá)到4000pF），每一個(gè)器件的輸入都相當(dāng)于一個(gè)等效電容，由于I2C總線擴(kuò)展器件的連接方式為并聯(lián)，因?yàn)镮2C總線的等效電容等于每個(gè)器件的等效電容之和，等效電容存在會(huì)造成傳輸信號(hào)波形的畸變，在超出范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。

由上圖可以看出，Rp是上拉電阻，CL就是該器件I2C接口的對(duì)GND電容，上拉電阻Rp計(jì)算方式：(VDDmax-UINLmax)/Rpmin< （2~4）mA（I/O口的灌電流）其中:VDDmax:電源電壓的最大值，UINLmax:I/O口上允許的低電平的最大值（CMOS電路結(jié)構(gòu)中UINL<=0.7V）

舉例：評(píng)估出一個(gè)最小的上拉電阻阻值

已知：電源電壓VDD=5V±%10，IO端口的驅(qū)動(dòng)能力為3mA，UINmax=0.7V，則最小的上拉電阻計(jì)算如下：

(VDDmax-UINmax)/Rpmin<3mA 代入數(shù)據(jù)，得Rpmin=1.6k；

上拉電阻Rp的最大值計(jì)算

總線電容是線路連接和管腳的總電容，它決定了Rp的最大值

1）標(biāo)準(zhǔn)模式：每條總線線路的最大電容負(fù)載都為400pF,且Tr<300ns；

2）快速模式：每條總線線路的最大電容負(fù)載都為200pF,且Tr<300ns；

I2C的速率：

標(biāo)準(zhǔn)模式SM(Standard mode)：100kbit/s,

快速模式FM(Fast mode)：400kbit/s,

快速+模式（Fast mode Plus）：1Mbit/s

高速模式HS(High-speed mode):3.4Mbit/s

快速模式器件的輸入有抑制毛刺的功能，SDA和SCL輸入有施密特觸發(fā)器；

快速模式器件的輸入緩沖器對(duì)SDA和SCL信號(hào)的下降沿有斜率控制功能；

如果快速模式器件的電源電壓被關(guān)斷，SDA和SCL的I/O管腳必須懸空，不能阻塞總線；

評(píng)估I2C總線一個(gè)最大的上拉電阻阻值方法

I2C端口輸出高電平是通過(guò)Rp上拉到VDD實(shí)現(xiàn)，線上電平由低到高的變化，電源通過(guò)Rp對(duì)線上負(fù)載電容Cl充電，從低電平切換到高電平，是需要一定時(shí)間的，即上升時(shí)間，這個(gè)上升時(shí)間可以近似用充電時(shí)間常數(shù)RpCl表示，瑞昱100kbit/s速率應(yīng)用，信號(hào)上升時(shí)間小于300ns，假設(shè)線上的Cl為20pF,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Rp值為17k。（計(jì)算公式：Rpmax=tr/(0.8473Cb)），tr為上升時(shí)間，Cb為總線電容。最大的Rpmax是變化的，需要根據(jù)實(shí)際的Cb計(jì)算。

如果Rp*Cl充電時(shí)間常數(shù)過(guò)大，將是信號(hào)上升沿變化緩慢，達(dá)不到傳輸數(shù)據(jù)要求；如果Rp太小，則會(huì)增大端口的sink電流，在可能的情況下，Rp取值大要一些，以減少好點(diǎn)。

電路干擾：在I2C設(shè)備的電源入口處要加濾波電容，一般加10nF或100nF；SDA和SCL上如果有干擾，要做濾波處理，總線上串接幾十歐姆的電容，對(duì)地加幾十pF電容；

三、通信流程

I2C通信特征總的來(lái)說(shuō)，主要是同步串行通信、非差分、低速率。

I2C的在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中共有三種類型的信號(hào)：開(kāi)始信號(hào)START,結(jié)束信號(hào)END,應(yīng)答信號(hào)ACK/NACK.

開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，表示開(kāi)始通信；

停止信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑硎窘Y(jié)束通信；

應(yīng)答信號(hào)ACK（NACK）：在接收數(shù)據(jù)的IC在接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖（NACK是高電平脈沖，應(yīng)答信號(hào)一般是在第9個(gè)時(shí)鐘傳輸），表示已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)車，應(yīng)答信號(hào)是由從機(jī)發(fā)出。

數(shù)據(jù)的有效性：當(dāng)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，I2C是在SCL為高電平時(shí)采樣，所以SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘SCL高電平周期內(nèi)保持穩(wěn)定的高電平或者低電平狀態(tài)，否則會(huì)導(dǎo)致通信失敗。同樣，只有在SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí),SDA線上的電平才能改變。

空閑狀態(tài)：SCL，SDA線上都是高電平。

ACK/NACK說(shuō)明：

1.主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)無(wú)法接收或者無(wú)法識(shí)別解析數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)送NACK;

2.從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)不想接收了，主機(jī)會(huì)發(fā)送NACK，這時(shí)從機(jī)釋放SDA總線，好讓主機(jī)接下來(lái)發(fā)送STOP信號(hào)。

發(fā)起通信的流程

首先主機(jī)會(huì)線拉低SDA總線，標(biāo)志我要開(kāi)始通信了，接下來(lái)主機(jī)會(huì)發(fā)送 7bit的地址+1bit的讀寫(xiě)位如果某個(gè)從設(shè)備地址和主機(jī)發(fā)的地址吻合，就會(huì)發(fā)出一個(gè)ACK信號(hào)，通信就此建立。之后的讀寫(xiě)操作，要具體看從設(shè)備的通訊規(guī)范，比如讀一個(gè)寄存器可能要如下操作：

圖中，灰色表示主機(jī)發(fā)送，白色表示從機(jī)發(fā)送。主機(jī)之所以如此發(fā)送數(shù)據(jù)，是根據(jù)從機(jī)的通信手冊(cè)來(lái)的，并不是標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議規(guī)定的，主機(jī)并不知道這些數(shù)據(jù)的意義，只有從機(jī)知道。