1、什么是I2C協(xié)議
I2C協(xié)議是一個(gè)允許多個(gè) “從機(jī)” 芯片和一個(gè)或更多的 “主機(jī)” 芯片進(jìn)行通訊的協(xié)議。它就像串行外設(shè)接口(SPI)一樣,只能用于短距離通信。又像異步串行接口(如RS232或UART), 只需要兩根信號(hào)線來交換信息。
實(shí)現(xiàn)I2C需要兩根信號(hào)線完成信息交換,SCL時(shí)鐘信號(hào)線,SDA數(shù)據(jù)輸入/輸出線。它屬于同步通信,由于輸入輸出數(shù)據(jù)均使用一根線,因此通信方向?yàn)榘腚p工。
總結(jié):短距離、一主多從、半雙工、兩根線、同步通訊
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2、名詞解釋
什么是半雙工呢?什么是同步通訊?什么是異步通訊?
2.1 ??什么是半雙工?
數(shù)據(jù)通信中,數(shù)據(jù)在線路上的傳送方式可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。
單工通信:
是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。例如遙控、遙測(cè)(一部分),就是單工通信方式。單工通信信道是單向信道,發(fā)送端和接收端的身份是固定的,發(fā)送端只能發(fā)送信息,不能接收信息;接收端只能接收信息,不能發(fā)送信息,數(shù)據(jù)信號(hào)僅從一端傳送到另一端,即信息流是單方向的。
半雙工:
是指數(shù)據(jù)可以沿兩個(gè)方向傳送,但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送,因此又被稱為雙向交替通信。(信息在兩點(diǎn)之間能夠在兩個(gè)方向上進(jìn)行發(fā)送,但不能同時(shí)發(fā)送的工作方式。)半雙工方式要求收發(fā)兩端都有發(fā)送裝置和接收裝置。由于這種方式要頻繁變換信道方向,故效率低,但可以節(jié)約傳輸線路。
全雙工:
是指在通信的任意時(shí)刻,線路上可以同時(shí)存在A到B和B到A的雙向信號(hào)傳輸。在全雙工方式下,通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器,因此,能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式無需進(jìn)行方向的切換,因此,沒有切換操作所產(chǎn)生的時(shí)間延遲,這對(duì)那些不能有時(shí)間延誤的交互式應(yīng)用(例如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng))十分有利。比如,電話機(jī)則是一種全雙工設(shè)備,其通話雙方可以同時(shí)進(jìn)行對(duì)話。
2.2 什么是同步通訊
同步通信:
發(fā)送端在發(fā)送串行數(shù)據(jù)的同時(shí),提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),并按照一定的約定(例如:在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿的時(shí)候,將數(shù)據(jù)發(fā)送出去)發(fā)送數(shù)據(jù),接收端根據(jù)發(fā)送端提供的時(shí)鐘信號(hào),以及大家的約定,接收數(shù)據(jù)。如:I2C、SPI等有時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)議,都屬于這種通信方式。
異步通信:
接收方并不知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候會(huì)到達(dá),收發(fā)雙方可以有各自自己的時(shí)鐘。發(fā)送方發(fā)送的時(shí)間間隔可以不均,接收方是在數(shù)據(jù)的起始位和停止位的幫助下實(shí)現(xiàn)信息同步的。這種傳輸通常是很小的分組,比如:一個(gè)字符為一組,數(shù)據(jù)組配備起始位和結(jié)束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的,因?yàn)轭~外加入了很多的輔助位作為負(fù)載,常用在低速的傳輸中。
同步通信與異步通信區(qū)別:
(1)同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致,發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流;異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步,發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后,可經(jīng)過任意長的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。
(2)同步通信效率高,異步通信效率較低。
(3)同步通信較復(fù)雜,雙方時(shí)鐘的允許誤差較?。划惒酵ㄐ藕唵?,雙方時(shí)鐘可允許一定誤差。
(4)同步通信可用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn);異步通信只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。
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3、I2C的功能特點(diǎn)
I2C最重要的功能包括:
只需要兩條總線;沒有嚴(yán)格的波特率要求,例如使用RS232,主設(shè)備生成總線時(shí)鐘;所有組件之間都存在簡單的主/從關(guān)系,連接到總線的每個(gè)設(shè)備均可通過唯一地址進(jìn)行軟件尋址;I2C是真正的多主設(shè)備總線,可提供仲裁和沖突檢測(cè);傳輸速度:
標(biāo)準(zhǔn)模式:Standard Mode = 100 Kbps
快速模式:Fast Mode = 400 Kbps
高速模式:High speed mode = 3.4 Mbps
超快速模式:Ultra fast mode = 5 Mbps
最大主設(shè)備數(shù):無限制;最大從機(jī)數(shù):理論上是127;
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4、I2C的高阻態(tài)
漏極開路(Open Drain)即高阻狀態(tài),適用于輸入/輸出,其可獨(dú)立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài),若需要產(chǎn)生高電平,則需使用外部上拉電阻
高阻狀態(tài):高阻狀態(tài)是三態(tài)門電路的一種狀態(tài)。邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外,還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門電路。電路分析時(shí)高阻態(tài)可做開路理解。
我們知道I2C的所有設(shè)備是接在一根總線上的,那么我們進(jìn)行通信的時(shí)候往往只是幾個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信,那么這時(shí)候其余的空閑設(shè)備可能會(huì)受到總線干擾,或者干擾到總線,怎么辦呢?
為了避免總線信號(hào)的混亂,I2C的空閑狀態(tài)只能有外部上拉, 而此時(shí)空閑設(shè)備被拉到了高阻態(tài),也就是相當(dāng)于斷路,?整個(gè)I2C總線只有開啟了的設(shè)備才會(huì)正常進(jìn)行通信,而不會(huì)干擾到其他設(shè)備。
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5、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遵循以下協(xié)議格式。數(shù)據(jù)通過一條SDA數(shù)據(jù)線在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸0和1的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)序列的結(jié)構(gòu)可以分為:
5.1 開始位
當(dāng)主設(shè)備決定開始通訊時(shí),需要發(fā)送開始信號(hào),并且執(zhí)行以下過程:
將SDA線由高電平切換成低電平;
將SCL線由高電平切換成低電平;
在主設(shè)備發(fā)送開始條件信號(hào)之后,所有從機(jī)即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài),并等待接收地址位。
5.2 地址位
地址位支持7bit、10bit,主設(shè)備如果需要向從機(jī)發(fā)送/接收數(shù)據(jù),首先要發(fā)送對(duì)應(yīng)從機(jī)的地址,然后會(huì)匹配總線上掛載的從機(jī)的地址,故地址為主要用來辨識(shí)不同設(shè)備。
地址位由主機(jī)發(fā)送,從設(shè)備負(fù)責(zé)接受并識(shí)別該地址是否位自己地址。
5.3?讀寫位
由于I2C是半雙工通訊,所以設(shè)備需要確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?,故引入了讀寫位。
如果主設(shè)備需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備,則該位設(shè)置為 0;
如果主設(shè)備需要往從設(shè)備接收數(shù)據(jù),則將其設(shè)置為 1 ;
讀寫位由主機(jī)發(fā)送;1表示讀操作,0表示寫操作。
5.4 應(yīng)答位
I2C最大的一個(gè)特點(diǎn)就是有完善的應(yīng)答機(jī)制,從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來通知主機(jī)表示“我收到了”。
應(yīng)答信號(hào):?出現(xiàn)在1個(gè)字節(jié)傳輸完成之后,即第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi),此時(shí)主機(jī)需要釋放SDA總線,把總線控制權(quán)交給從機(jī),由于上拉電阻的作用,此時(shí)總線為高電平,如果從機(jī)正確的收到了主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù),會(huì)把SDA拉低,表示應(yīng)答響應(yīng)。
非應(yīng)答信號(hào):當(dāng)?shù)?個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí),SDA保持高電平,表示非應(yīng)答信號(hào)。
非應(yīng)答信號(hào)可能是主機(jī)產(chǎn)生也可能是從機(jī)產(chǎn)生,產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào)的情況主要有以下幾種:
I2C總線上沒有主機(jī)所指定地址的從機(jī)設(shè)備;
從機(jī)正在執(zhí)行一些操作,處于忙狀態(tài),還沒有準(zhǔn)備好與主機(jī)通訊;
主機(jī)發(fā)送的一些控制命令,從機(jī)不支持;
主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),主機(jī)產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào),通知從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束,不要再發(fā)數(shù)據(jù)了;
5.5 數(shù)據(jù)位
I2C數(shù)據(jù)總線傳輸要保證在SCL為高電平時(shí),SDA數(shù)據(jù)穩(wěn)定,所以SDA上數(shù)據(jù)變化只能在SCL為低電平時(shí)
一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有8位,由發(fā)送方設(shè)置,它需要將數(shù)據(jù)位傳輸?shù)浇邮辗?。發(fā)送之后會(huì)緊跟一個(gè)ACK / NACK位,如果接收器成功接收到數(shù)據(jù),則從機(jī)發(fā)送ACK。否則,從機(jī)發(fā)送NACK。
數(shù)據(jù)可以重復(fù)發(fā)送多個(gè),直到接收到停止位為止。
5.6 停止位
當(dāng)主設(shè)備決定結(jié)束通訊時(shí),需要發(fā)送結(jié)束信號(hào),需要執(zhí)行以下動(dòng)作:
先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平;
再將SCL線從高電平拉到低電平;
5.7 總結(jié)
寫寄存器的標(biāo)準(zhǔn)流程為:
Master發(fā)起START
Master發(fā)送I2C addr(7bit)和w操作0(1bit),等待ACK
Slave發(fā)送ACK
Master發(fā)送reg addr(8bit),等待ACK
Slave發(fā)送ACK
Master發(fā)送data(8bit),即要寫入寄存器中的數(shù)據(jù),等待ACK
Slave發(fā)送ACK
第6步和第7步可以重復(fù)多次,即順序?qū)懚鄠€(gè)寄存器
Master發(fā)起STOP
“
6、仲裁機(jī)制
在多主的通信系統(tǒng)中??偩€上有多個(gè)節(jié)點(diǎn),它們都有自己的尋址地址,可以作為從節(jié)點(diǎn)被別的節(jié)點(diǎn)訪問,同時(shí)它們都可以作為主節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。
但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都向總線上發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)并開始傳送數(shù)據(jù),這樣就形成了沖突。要解決這種沖突,就要進(jìn)行仲裁的判決,這就是I2C總線上的仲裁。
I2C總線上的仲裁分兩部分:SCL線的同步和SDA線的仲裁。
6.1 SCL線的同步
SCL同步是由于總線具有線?“與”?的邏輯功能(開漏輸出),即只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí),總線上就表現(xiàn)為低電平。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí),總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理,當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)時(shí),在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào),這就是SCL的同步原理。
6.2 SDA線的仲裁
總線仲裁是為了解決多設(shè)備同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)中線控制權(quán)的問題,通過一定的裸機(jī)來決定哪個(gè)設(shè)備能夠獲得最終的總線控制權(quán)。
SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后,比較總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否一致(類似于CAN總線的回讀機(jī)制)。
是,繼續(xù)發(fā)送;
否則,退出競(jìng)爭(zhēng);
I2C總線的控制邏輯:低電平優(yōu)先
SDA線的仲裁可以保證I2C總線系統(tǒng)在多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線時(shí)通信正常進(jìn)行并且數(shù)據(jù)不丟失,總線系統(tǒng)通過仲裁只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)占據(jù)總線。
上圖過程分析:
11
11
00
100
? 010
SDA仲裁和SCL時(shí)鐘同步處理過程沒有先后關(guān)系,而是同時(shí)進(jìn)行的。
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7、I2C死鎖
在實(shí)際使用過程中,I2C比較容易出現(xiàn)的一個(gè)問題就是死鎖 ,死鎖在I2C中主要表現(xiàn)為:I2C死鎖時(shí)表現(xiàn)為SCL為高,SDA一直為低。
在I2C主設(shè)備進(jìn)行讀寫操作的過程中,主設(shè)備在開始信號(hào)后控制SCL產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘脈沖,然后拉低SCL信號(hào)為低電平,在這個(gè)時(shí)候,從設(shè)備輸出應(yīng)答信號(hào),將SDA信號(hào)拉為低電平。
如果這個(gè)時(shí)候主設(shè)備異常復(fù)位,SCL就會(huì)被釋放為高電平。此時(shí),如果從設(shè)備沒有復(fù)位,就會(huì)繼續(xù)I2C的應(yīng)答,將SDA一直拉為低電平,直到SCL變?yōu)榈碗娖剑艜?huì)結(jié)束應(yīng)答信號(hào)。
而對(duì)于I2C主設(shè)備來說,復(fù)位后檢測(cè)SCL和SDA信號(hào),如果發(fā)現(xiàn)SDA信號(hào)為低電平,則會(huì)認(rèn)為I2C總線被占用,會(huì)一直等待SCL和SDA信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?/p>
這樣,I2C主設(shè)備等待從設(shè)備釋放SDA信號(hào),而同時(shí)I2C從設(shè)備又在等待主設(shè)備將SCL信號(hào)拉低以釋放應(yīng)答信號(hào),兩者相互等待,I2C總線進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。
同樣,當(dāng)I2C進(jìn)行讀操作,I2C從設(shè)備應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù),如果在這個(gè)時(shí)刻I2C主設(shè)備異常復(fù)位而此時(shí)I2C從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)位正好為0,也會(huì)導(dǎo)致I2C總線進(jìn)入死鎖狀態(tài)。
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8、I2C的代碼實(shí)現(xiàn)
參考了STM32的HAL庫中I2C驅(qū)動(dòng),主設(shè)備發(fā)送函數(shù)HAL_I2C_Master_Transmit()具體如下:
/**
??*?@brief??Transmits?in?master?mode?an?amount?of?data?in?blocking?mode.
??*?@param??hi2c?Pointer?to?a?I2C_HandleTypeDef?structure?that?contains
??*????????????????the?configuration?information?for?the?specified?I2C.
??*?@param??DevAddress?Target?device?address:?The?device?7?bits?address?value
??*?????????in?datasheet?must?be?shifted?to?the?left?before?calling?the?interface
??*?@param??pData?Pointer?to?data?buffer
??*?@param??Size?Amount?of?data?to?be?sent
??*?@param??Timeout?Timeout?duration
??*?@retval?HAL?status
??*/
HAL_StatusTypeDef?HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef?*hi2c,?
??????????????????????????????????????????uint16_t?DevAddress,?
??????????????????????????????????????????uint8_t?*pData,?
??????????????????????????????????????????uint16_t?Size,?
??????????????????????????????????????????uint32_t?Timeout)
uint32_t 0x00
? /*?Init?tickstart?for?timeout?management*/
? if
/*?Wait?until?BUSY?flag?is?reset?*/
if
return
? /*?Process?Locked?*/
? /*?Check?if?the?I2C?is?already?enabled?*/
if
/*?Enable?I2C?peripheral?*/
? /*?Disable?Pos?*/
? /*?Prepare?transfer?parameters?*/
? /*?Send?Slave?Address?*/
if
if
/*?Process?Unlocked?*/
? return
else
/*?Process?Unlocked?*/
? return
? /*?Clear?ADDR?flag?*/
? while 0U
/*?Wait?until?TXE?flag?is?set?*/
if
if
/*?Generate?Stop?*/
? return
else
return
? /*?Write?data?to?DR?*/
? if
0U
/*?Write?data?to?DR?*/
? /*?Wait?until?BTF?flag?is?set?*/
if
? if
/*?Generate?Stop?*/
? return
else
return
? /*?Generate?Stop?*/
? /*?Process?Unlocked?*/
? return
else
return
? ?
評(píng)論
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