I2C总线学习笔记

I2C在小P以前接触的设计中大多只用到400k的速率，EVB的设计中更经常发现实现不了就降速到100k。现在突然再看看I2C，发现原来还有更高的速率规范，最高都已经到5M了。

于是乎，小P又要把这儿挖一挖看一看，反正I2C以后也经常会用到，不也得懂个所以然。

一、整体介绍

I2C最早是由Philips公司，现NXP公司开发的一种双向两线总线协议。其由于仅需要两个引脚即可实现双向多设备具有巨大的优势。截止至小P写这篇推文时候，规范的最新版本已经是《UM10204 v7》了。

在不同的应用架构中，I2C可用于SMBus（System Management Bus）、PMBus（Power Management Bus）、IPMI（Intelligent Platform Management Interface）、DDC（Display Data Channel）和ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）。I2C往后的进一步演进MIPI I3C总线是可以向下兼容I2C（I3C全名叫Improved Inter-Integrated Circuit，强译那就是改良型I2C），I3C可以提供更高的速率和更低的功耗。MIPI I3C总线在后续如果有涉及到的时候，再展开进一步学习了。

下图是个典型的I2C总线应用场景。

I2C总线有且仅有两个网络走线，串行数据线SDA和串行时钟线SCL。所有的I2C设备均是通过这两根走线进行互连通信，每个设备均以唯一的地址被识别。大多数I2C设备可以既作为发送端也可作为接收端，个别I2C设备如LCD驱动器等不需要发送数据的设备，可以只用作接收端。

由于I2C总线需要“线与”逻辑用于判断总线占用情况，因此SDA和SCL的接口必须使用外接上拉的OD驱动设计。

在只有单个I2C controller的应用场景中，如果SCL时钟线上没有会Stretch Clock的设备，那么controller的SCL输出可以使用推挽（Push-pull）电路。

PS.在V7的规范里，I2C原来master/slave的描述更新为controller/target，和MIPI I3C规范保持一致。

二、总线速率

I2C总线按速率分为以下的模式：

模式	速率	方向
Standard-mode（Sm）	100kbit/s	双向
Fast-mode（Fm）	400kbit/s	双向
Fast-mode Plus（Fm+）	1Mbit/s	双向
High-speed mode（Hs-mode）	3.4Mbit/s	双向
Ultra Fast-mode（UFm）	5Mbit/s	单向

可以发现，3.4Mbps以下的速率，I2C总线的传输都是双向的，但是在UFm模式下变成单向传输。这种情况可以应用在控制器发送数据给LCD屏幕驱动，不需要回传数据的场景。

除了UFm模式以外，其他的模式均是和更低速率模式兼容的。

1、Fast-mode/ Standard-mode

（1）SDA和SCL的时序是适配的；

（2）SDA和SCL的INPUT为了消除毛刺，集成了施密特触发器（Schmitt trigger）；

（3）SDA和SCL的OUTPUT包含下降沿的斜率控制。（其实就是OD门只可通过配置调整下管的驱动能力）

2、Fast-mode Plus

（1）总线拓扑与F/S-mode保持一致，速率向下兼容；

（2）Fm+设备可提供比F/S-mode更大的驱动电流，从而实现更长/更重负载的链路。

（3）当总线上仅有Fm+设备时，更强的驱动能力和更大的上升/下降容忍度，使得可以通过降速实现更重负载电容链路应用。最小的LOW和HIGH电平时间需要满足Fm+要求，上升时间不超过1us和下降时间不超过300ns。通过权衡总线速度和负载电容，可以提升最大负载电容的承受能力约10倍。

3、High-speed mode

（1）总线拓扑与F/S-mode、Fm+保持一致，速率向下兼容；

（2）为了实现3.4MBbps的通信速率，SCLH的OUTPUT使用了OD下拉+电流源上拉的组合电路，SDAH与其他保持一致；仅在Hs-mode模式下，仅有一个controller的电流源上拉会被使用；

（3）在Hs-mode的多控制器系统中，仲裁和时钟同步不会使用，这能加速位处理的能力；

（4）Hs-mode controller发出的SCL波形高低电平时间比是1:2，进而减轻了建立/保持的要求；

（5）Hs-mode controller可以在内部集成一个bridge。在Hs-mode传输时将F/S-mode设备的SDA、SCL和Hs-mode设备的SDAH（high-speed serial data）、SCLH（high-speed serial clock）断开。通过这种方式可以减小SDAH和SCLH总线上的负载电容，从而提高上升时间和下降时间；这个在下面的图示可以非常直观清晰的看到；

（6）SDAH和SCLH的INPUT集成了施密特触发器；

（7）SDAH和SCLH的OUTPUT包含下降沿的斜率控制。

当总线电容>100pF时，Rp可以被替换为外部电流源上拉，从而提高上升时间满足要求。

Rs电阻作为可选项，用于保护IO接口不被过高毛刺打坏，并且可以优化过冲震荡。

4、Ultra Fast-mode

针对UFm，不过多展开学习了。需要注意的是，UFm模式下的I2C，USDA和USCL均是采用的Push-pull输出，最高可达到5Mbps。

三、BIT/BYTE

接下来我们着重看下I2C的一些细节点，

首先就是I2C信号的采样方式。I2C的数据有效性要求SDA数据线在SCL时钟线高电平必须是稳定的（也就是在SCL高电平采样，不是边沿采样），SDA数据线的电平翻转仅允许在SCL时钟线低电平时，如下图。

然后就是I2C总线的数据传输的开始和结束特征，这个很简单。就是在SCL时钟线高电平时，SDA数据线下降表示开始，SDA数据线上升表示结束，如下图。S condition和P condition仅由控制器（也就是原master）发出，当S condition发出后，总线则被占用。在P condition发出一定时间间隔后，总线会被认为释放。

再接着是I2C的byte格式，这里有很有趣的几个点，这个就是OD门“线与”逻辑的有趣应用了。详细的图示可以看底下的图：

1、SDA数据线上的byte必须是8位长，并且开头一定是一个MSB（Most Significant Bit，这可不是你们以为哔哔）。当transmitter发送完一个8位的byte后，会将SDA数据线释放到高电平。然后receiver完整接收到这个8位byte后，将会在下一个（第9个）时钟周期高电平来之前，将SDA数据线拉低到低电平（ACK信号）。通过这个方式告诉transmitter我接收到数据了。如果没有成功接收到数据，或是数据不识别，那么在第9个时钟周期高电平时，receiver需要释放SDA数据线为高电平（NACK）。Controller若接收到NACK，则可以发出STOP condition结束数据传输或repeated START condition进行新的数据传输。

2、当target设备正在忙，没空接收数据时，target可以将SCL时钟线拉低，也就是我们说的hold住SCL。这种情况下，controller会进入等待模式。当target忙完了，就可以释放SCL时钟线，然后才会进行下一个byte的数据发送和接收。

I2C的数据传输是基于地址的，所以完整的一个I2C数据传输是包含7个地址位，1个读写位，再接着数据位和ACK位，如下图。在S（START condition）后面紧接着的就是7位Addr和1位RW。

值得注意的是，由于Hs-mode下的SCLH的高低电平周期是1:2，所以Hs-mode的传输和F/S- mode有些许差异，下图可以体现。

其实在学习I2C的时候，会有一个很容易迷惑的点，就是controller和target的关系，还有就是transmitter和receiver的关系。规范中对于这些的定义是如下

如果还是梳理不清楚，那么接下来的这段讲解，应该可以进一步帮助理解

1、Controller-transmitter发送数据给targer-receiver。数据传输的方向不需要变化，target-receiver在接收到每个byte时需要反馈ACK。

2、Controller读取target的数据，先由controller-tranmitter发送地址和读位，当target-receiver反馈ACK后，随即调整方向。controller-tranmitter变为controller-receiver，target-receiver变为target-tranmitter。第一个ACK信号由target在接收到地址后产生，后续的ACK均由controller产生。STOP condition（P）是在controller发出一个not-acknowledge（NACK）后，由controller发出STOP condition（P）。

3、还有一种混合格式（Combined format），在一次传输过程中，地址没有变化，仅是传输方向有变化。那么只需要重发一次repeated START condition（Sr）和同样的target地址，但是读写位翻转。在controller-receiver发送repeated START condition前，会发送NACK。

为了支持更多的设备可以同时挂在I2C总线上，7-bit地址扩展到了10-bit地址。7-bit/10-bit设备可以同时挂在一个I2C总线上。他们的区别就是，10-bit地址需要占用两个byte才能完成地址的传输。

第一个byte规定为1111 0XXR/W

第二个byte则定为XXXX XXXX

这10个X组成了10-bit地址，R/W决定了读写方向。

写方向与7-bit地址的模式类似，在完成两个地址byte发送后，发送8位数据。

读方向则和7-bit地址的Combined format有点类似，在完成两个地址byte发送后，通过repeated START condition（Sr），再发送一次一个byte地址后（读写位需要配置为1 Read），开始反向读取数据。这个时候不需要发第二个byte的地址，因为匹配的target设备会记忆其被定位。若读写位配置为0 Write，则需要继续发送第二个byte的地址去进行配对。

Hs-mode和F/S-mode的传输格式也有少许区别

四、电气约束和时序约束（疯狂的贴图时间）

1、S-/F-/Fm+设备约束

设备需要满足其最高速率，但是通过时钟同步，stretch SCL的低电平的方式，可以实现降速。

2、Hs-mode设备约束

一般意义上的START condition（S）在HS-mode中不存在，而是以repeated START condition（Sr）开头。地址位、读写位、ACK位及数据位的时序都是一样的，但是第一个SCLH的上升时间很特殊地放宽了。由于ACK后的第一个SCLH，上升沿是靠外部上拉电阻提供的驱动能力（第一个SCLH的时候，内部上拉电流源未开通工作）。

通过内部依次产生的100ns高电平和200ns低电平，Hs-mode controller满足外部3.4MHz的时序要求（包含上升/下降时间）。因此，Hs-mode controller可以采用10MHz基频或倍频来产生SCLH信号。

对于Hs-mode来说，时序要求也与总线上负载电容相关。当总线负载电容小于100pF时，总线可能可以运行在最高3.4Mbps速率下。当负载电容持续增大时，比特率会开始逐步降低。当总线负载电容等于400pF时，则能达到的最高速率应该是1.7Mbps。总线负载电容在100-400pF之间的，则时序参数需要线性的插值。

SDAH和SCLH的上升/下降时间与其在传输线上的最大传播时间一致，以防止末端开路反射。

I2C的链路时序计算一般风险较低。按照3.4MHz计算，一个周期大概是300ns。假定PCB的板材是FR4，DK 4.5，这样换算下来那么1ns大概是5.57inch走线的时延。且SDA的电平翻转动作是在SCLH低电平期间，也就是200ns这段，可以等效约1000多inch，已经远远超出可能的应用场景了。

这般梳理下来，小P觉得I2C的基本应用，配合做SI分析已经是足够了。如果说后面遇到需要进一步学习的时候，再补充了。