I2C总线的特点及工作原理解析

I2C总线特点

I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

2 I2C总线工作原理

I2C总线上的数据稳定规则，SCL为高电平时SDA上的数据保持稳定，SCL为低电平时允许SDA变化。如果SCL处于高电平时，SDA上产生下降沿，则认为是起始位，SDA上的上升沿认为是停止位。通信速率分为常规模式（时钟频率100kHz）和快速模式（时钟频率400kHz）。同一总线上可以连接多个带有I2C接口的器件，每个器件都有一个唯一的地址，既可以是单接收的器件，也可以是能够接收发送的器件。

每次数据传输都是以一个起始位开始，而以停止位结束。传输的字节数没有限制。最高有效位将首先被传输，接收方收到第8位数据后会发出应答位。数据传输通常分为两种：主设备发送从设备接收和从设备发送主设备接收。这两种模式都需要主机发送起始位和停止位，应答位由接收方产生。从设备地址一般是1或2个字节，用于区分连接在同一I2C上的不同器件。

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

在I2C总线中只有主发送和主接收两种操作方式。在系统初始化时，由指令控制CPU送出相关的数据，经接口送到I2C寄存器内。通过初始化这些寄存器，可以实现I2C总线的主模式控制，以及实现I2C总线上的从设备读写。

当主设备和其中的一个从设备交换数据时，主设备首先发出一个启动Start信号，这个信号被所有的从设备接收。即从设备准备接收CPU的信号，然后主设备再发出它要通信的从设备地址。接下来，所有的从设备将收到的这个地址和它们自己的地址进行比较。

如果收到的地址和它们自己的地址不同，则什么都不做，只是等待主设备发出停止stop信号；如果收到的地址和它自己的地址相同，它就发出一个信号给主设备，这个信号称为应答Acknowledge信号。当主设备收到应答信号后，它就开始向从设备发送数据或者从从设备接收数据。当所有操作都进行完毕时，主设备发出一个Stop信号，通信完毕，释放I2C总线；然后所有的从设备都等待下一次Start信号的到来。

3 总线基本操作

I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

3.1 控制字节

在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。

1．写过程

（1）上电后等待一个延时（1ms）。

（2）器件寻址，给一个起始信号（SCL为高电平时SDA给一个下降沿）。发送从器件地址，高5位为10110，然后根据A1/A0（如果和器件的地址相同则那个器件会应答）进行读/写控制（O为读）。

（3）应答，器件在SCL的第9个周期时SDA给出一个低电平，作为应答信号。

（4）开始写有两种模式：字节写模式和页写模式。

·字节模式：给出A15～A8应答，给出A7～A0应答；然后给出DATA和停止信号 （SCL为高电平时，SDA给出一个上升沿），接着要等待一个擦写时间。

·页写模式：给出地址以后连续给出64个数据。如果多于64个数据，则地址计数器自动翻转。（如果少于64昵，估计是没有问题的，但是需要实验验证。）

（5）判断擦写操作是否完毕的一个方法（应答查询），如果器件还处于擦写状态，则不会应答器件寻址；如果有应答，则说明擦写完毕。

2．读过程

（1）上电以后等待一个延时（lms）。

（2）器件寻址。

（3）应答。

（4）开始读有三种模式：立即当前地址读、选择/随机读、连续读。

·立即当前地址读：如果上次读/写的操作地址为N，则现在是N+1。不需要ACK，但是需要Stop信号。

·选择/随机读：先伪写（用于给出一个地址），然后再次启动，读取数据。

·连续读：读取一个以后给一个应答，这样器件会再给出下一个地址的数据内容。

（5）开始数据传输Start后、停止数据传输Stop前，SCL高电平期间，SDA上为有效数据。
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