IIC總線協(xié)議最佳理解

1、IIC總線協(xié)議1）IIC總線的概念 IIC總線是一種串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，具有以下特點(diǎn)： 兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時(shí)鐘線（SCL） 每個(gè)連接到總線的器件都可以使用軟件更具它的唯一的地址來(lái)識(shí)別 傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備間是簡(jiǎn)單的主從關(guān)系 主機(jī)可以用作主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器 它是一個(gè)多主機(jī)總線，兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以通過(guò)沖突檢測(cè)和仲裁來(lái)方式數(shù)據(jù)被破壞 串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸，位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，在快速模式下可達(dá)400kbit/s，在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s片上的濾波器可以增加干擾功能，保證數(shù)據(jù)的完整連接到同一總線上的IC

2、數(shù)量受到總線最大電容的限制發(fā)送器：發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件接收器：從總線接收數(shù)據(jù)的器件主機(jī)：發(fā)起/停止數(shù)據(jù)傳輸、提供時(shí)鐘信號(hào)的器件從機(jī)：被主機(jī)尋址的器件多主機(jī)：可以有多個(gè)主機(jī)試圖去控制總線，但是不會(huì)破壞數(shù)據(jù)仲裁：當(dāng)多個(gè)主機(jī)試圖去控制總線時(shí)，通過(guò)仲裁可以使得只有一個(gè)主機(jī)獲得總線控制權(quán)，并且它傳輸?shù)男畔⒉粫?huì)被破壞同步：多個(gè)器件同步時(shí)鐘信號(hào)的過(guò)程I2C總線通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。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。 每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件

3、，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。 在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂， I2C總線要通過(guò)總線仲裁，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線。 在80C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴(kuò)展中，我們經(jīng)常遇到的是以80C51單片機(jī)為主機(jī)，其它接口器件為從機(jī)的單主機(jī)情況。數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定： 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。2）IIC總線的信號(hào)類型IIC總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有3種類型信號(hào)：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)開始信號(hào)（S）：SCL為高電

4、平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示起始信號(hào)，開始傳送數(shù)據(jù)結(jié)束信號(hào)（P）：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，表示結(jié)束信號(hào)，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)響應(yīng)信號(hào)（ACK）：接收器在接收到8位數(shù)據(jù)后，在第9個(gè)時(shí)鐘周期，拉低SDA電平。即接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit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，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 開始信號(hào)S和結(jié)束信號(hào)P 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

5、號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。 連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào)。對(duì)于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機(jī)來(lái)說(shuō)，為了檢測(cè)起始和終止信號(hào)，必須保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。 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(wú)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。 應(yīng)答信號(hào)ACK3）IIC總線的數(shù)據(jù)傳輸格式 發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位的，每次傳輸可以

6、發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。 如果從機(jī)要完成一些其他功能后才能繼續(xù)接收或發(fā)送，從機(jī)可以拉低SCL迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收并釋放SCL后，數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸。如果主機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)期間也需要完成一些其他功能葉可以拉低SCL以占住總線。 啟動(dòng)一個(gè)傳輸時(shí)，主機(jī)先發(fā)出S信號(hào)，然后發(fā)出8位數(shù)據(jù)。前7位為從機(jī)地址，第8位表示傳輸方向（0表示寫操作，1表示讀操作）。被選中的從機(jī)發(fā)出響應(yīng)信號(hào)。跟著傳輸一系列字節(jié)及響應(yīng)位。最后，主機(jī)發(fā)出P信號(hào)結(jié)束。 由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答

7、時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。 如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過(guò)對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。 當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。下列三種情況不會(huì)有ACK信號(hào)：當(dāng)從機(jī)不能響應(yīng)從機(jī)地址時(shí)（從機(jī)忙于其他事無(wú)法響應(yīng)IIC總線操作或這個(gè)地址沒(méi)有對(duì)應(yīng)從機(jī)），在第

8、9個(gè)SCL周期內(nèi)SDA線沒(méi)有被拉低，即沒(méi)有ACK信號(hào)。這時(shí)，主機(jī)發(fā)送一個(gè)P信號(hào)終止傳輸或者重新發(fā)送一個(gè)S信號(hào)開始新的傳輸從機(jī)接收器在傳輸過(guò)程中不能接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，也不會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)。主機(jī)意識(shí)到這點(diǎn)，從而發(fā)出一個(gè)P信號(hào)終止傳輸或者從新發(fā)送一個(gè)S信號(hào)開始新的傳輸主機(jī)接收器在接收到最后一個(gè)字節(jié)時(shí)，也不會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)，于是，從機(jī)發(fā)送器釋放SDA線，允許主機(jī)發(fā)送P信號(hào)結(jié)束傳輸4）、數(shù)據(jù)幀格式 I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。 在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)

9、（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。 在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：a、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過(guò)程中不變：注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。 A表示應(yīng)答， 表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即由從機(jī)讀數(shù)據(jù)c、在傳送過(guò)程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。5）、總線的尋址 I2C總線協(xié)議有明確

10、的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）。（1）尋址字節(jié)的位定義 D7D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線

11、系統(tǒng)中。（2）尋址字節(jié)中的特殊地址 其中高四位為器件類型識(shí)別符（即固定地址編號(hào)0000和1111，不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作。 起始信號(hào)后的第一字節(jié)的8位為“0000 0000”時(shí)，稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)中加以說(shuō)明。格式為： 第二字節(jié)為 06H時(shí)，所有能響應(yīng)通用呼叫地址的從機(jī)器件復(fù)位，并由硬件裝入從機(jī)地址的可編程部分。能響應(yīng)命令的從機(jī)器件復(fù)位時(shí)不拉低SDA和SCL線，以免堵塞總線。 第二字節(jié)為 04H時(shí)，所有能響應(yīng)通用呼叫地址并通過(guò)硬件來(lái)定義其可編程地址的從機(jī)器件將鎖定地

12、址中的可編程位，但不進(jìn)行復(fù)位。 如果第二字節(jié)的方向位B為“1”，則這兩個(gè)字節(jié)命令稱為硬件通用呼叫命令。 在這第二字節(jié)的高7位說(shuō)明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機(jī)或其他微處理器能識(shí)別這個(gè)地址，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機(jī)使用時(shí)，也用這個(gè)地址作為從機(jī)地址。格式為： 在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)硬件主機(jī)器件工作在從機(jī)接收器方式，這時(shí)由系統(tǒng)中的主機(jī)先告訴硬件主機(jī)器件數(shù)據(jù)應(yīng)送往的從機(jī)器件地址，當(dāng)硬件主機(jī)器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就可以直接向指定從機(jī)器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。（3）起始字節(jié) 起始字節(jié)是提供給沒(méi)有I2C總線接口的單片機(jī)查詢I2C總線時(shí)使用的特殊字節(jié)。 不具備I2C總線接口的單片機(jī)，則必須通

13、過(guò)軟件不斷地檢測(cè)總線，以便及時(shí)地響應(yīng)總線的請(qǐng)求。單片機(jī)的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長(zhǎng)的起始過(guò)程加以引導(dǎo)。 引導(dǎo)過(guò)程由起始信號(hào)、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號(hào)（Sr）組成。請(qǐng)求訪問(wèn)總線的主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后，發(fā)送起始字節(jié)（0000 0001），另一個(gè)單片機(jī)可以用一個(gè)比較低的速率采樣SDA線，直到檢測(cè)到起始字節(jié)中的7個(gè)“0”中的一個(gè)為止。在檢測(cè)到SDA線上的高電平后，單片機(jī)就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號(hào)使用的第二個(gè)起始信號(hào)Sr。在起始信號(hào)后的應(yīng)答時(shí)鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個(gè)脈沖期間作應(yīng)答。 2 80C51單片機(jī)I2C串行總線器件的接口2.1 總線數(shù)據(jù)傳送的模擬 主機(jī)可以采用不帶I2C總線接口的單片機(jī)，如80C51、AT89C2051等單片機(jī)，利用軟件實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號(hào)模擬。一、典型信號(hào)模擬 為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號(hào)、終止信號(hào)、發(fā)