通信协议笔记(二)- I2C通信协议

通信协议学习笔记(二)- I2C通信协议

    • 概述
    • I2C物理层
    • I2C协议层
    • I2C基本读写过程

概述

I2C 通讯协议(Inter-Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的,由于它引脚少,硬件实现简单,可扩展性强,不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备,现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

I2C物理层

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物理层特点

  • 它是一个支持多设备的总线。"总线"指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中,可连接多个I2C通讯设备,支持多个通讯主机及多个通讯从机。
  • 一个I2C总线只使用两条总线线路,一条双向串行数据线(SDA) ,一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据,时钟线用于数据收发同步。
  • 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
  • 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。
  • 多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
  • 具有三种传输模式:标准模式传输速率为100kbit/s ,快速模式为400kbit/s ,高速模式下可达 3.4Mbit/s,但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
  • 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 ,如果所挂接的是相同型号的器件,则还受器件地址位的限制。

I2C协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

  • 起始和停止信号
    I2C协议规定,总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件,以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时,SCL和SDA都保持着高电平,当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变,表示产生一个起始条件;当SCL为高而SDA由低到高的跳变,表示产生一个停止条件。在起始条件产生后,总线处于忙状态,由本次数据传输的主从设备独占,其他I2C器件无法访问总线;而在停止条件产生后,本次数据传输的主从设备将释放总线,总线再次处于空闲状态。
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  • 数据有效性
    I2C使用SDA信号线来传输数据,使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时,SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效,即此时的SDA为高电平时表示数据"1",为低电平时表示数据"0"。当SCL为低电平时,SDA的数据无效,一般在这个时候SDA进行电平切换,为下一次表示数据做好准备。
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  • 地址和数据方向
    I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址,主机发起通讯时,通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位,实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是数据方向位(R/),第8位或第11位。数据方向位为"1"时表示主机由从机读数据,该位为"0"时表示主机向从机写数据。读数据方向时,主机会释放对SDA信号线的控制,由从机控制SDA信号线,主机接收信号,写数据方向时,SDA由主机控制,从机接收信号。
  • 应答
    I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括"应答(ACK)"和"非应答(NACK)"两种信号。作为数据接收端时,当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后,若希望对方继续发送数据,则需要向对方发送"应答(ACK)"信号,发送方会继续发送下一个数据;若接收端希望结束数据传输,则向对方发送"非应答(NACK)"信号,发送方接收到该信号后会产生一个停止信号,结束信号传输。
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I2C基本读写过程

  • S是表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S),这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号

  • 起始信号产生后,所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上,每个设备的地址都是唯一的,当主机广播的地址与某个设备地址相同时,这个设备就被选中了,没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议,这个从机地址可以是7位或10位

  • 在地址位之后,是传输方向的选择位,该位为0时,表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机,即主机向从机写数据。该位为1时,则相反,即主机由从机读数据

  • 从机接收到匹配的地址后,主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号,只有接收到应答信号后,主机才能继续发送或接收数据

  • 若配置的方向传输位为"写数据"方向,如下图,广播完地址,主机接收到应答信号后,主机开始正式向从机传输数据(DATA),数据包的大小为8位,主机每发送完一个字节数据,都要等待从机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以向从机传输N个数据,这个N没有大小限制。当从机回复非应答信号(NACK)后,主机向从机发送一个停止传输信号P,结束本次通讯

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  • 若配置的方向传输位为"读数据"方向,如下图,广播完地址,从机接收到应答信号后,从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为8位,从机每发送完一个数据,都会等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以返回N个数据,这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时,就向从机返回一个非应答信号(NACK),则从机自动停止数据传输,主机向从机发送一个停止传输信号P,结束本次通讯

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  • 除了基本的读写,I2C通讯更常用的是复合格式,即下图情况,该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中,主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后,发送一段"数据",这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别);在第二次的传输中,对该地址的内容进行读或写。也就是说,第一次通讯是告诉从机读写地址,第二次则是读写的实际内容,重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

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  • 阴影部分表示数据由主机向从机发送数据,无阴影部分则表示数据由从机向主机发送数据。
  • “0”表示主机向从机写入数据(W),“1"表示主机从从机中读取数据(R)
  • A表示应答信号,A非表示非应答信号(高电平)
  • S表示起始信号,P表示终止信号

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