IIC协议讲解

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                                                                  IIC协议讲解

I2C（Inter-integrated Circuit）总线支持设备之间的低速率短距离通信，用于处理器和一些外围设备之间的接口，它只需要两根信号线来完成信息交换。

五种模式

普通模式（100kHz即100kbps）、

快速模式（400kHz）、

快速模式+（1MHz）、

高速模式（3.4MHz）

超高速模式（5MHz）。

I2C最少只需要两根线，和异步串口类似，但可以支持多个slave设备。和SPI不同的是，I2C可以支持mul-master系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信（master之间不可通过I2C通信，并且每个master只能轮流使用I2C总线）。master是指启动数据传输的设备并在总线上生成时钟信号以驱动该传输，而被寻址的设备都作为slaves。 

1） 发送器（Transmitter）：发送数据到总线的器件

2） 接收器（Receiver）：从总线接收数据的器件

3） 主机（Master）：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件

4） 从机（Slave）：被主机寻址的器件

                                                                     

如上图示，I2C 总线具有如下特点：

1）I2C 总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。不论主机是发送器还是接收器，时钟信号SCL 都要由主机来产生

2） 只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL

3） SDA 和SCL 信号线都必须要加上拉电阻Rp（Pull-Up Resistor）。上拉电阻一般取值3～

10KΩ

4） SDA 和SCL 管脚都是漏极开路（或集电极开路）输出结构

 

大部分I2C设备支持100KHz和400KHz模式。使用I2C传输数据会有一些额外消耗：每发送8bits数据，就需要额外1bit的元数据（ACK或NACK）（所以比SPI传输可靠些）。I2C支持双向数据交换，由于仅有一根数据线，故通信是半双工的。 硬件复杂度和数据传输速率也位于串口和SPI之间，而软件实现可以相当简单。

 

具有特定的传输起始、停止条件

a）起始条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从高电平向低电平跳变时产生起始条件。起始条件常常简记S

b）停止条件：当SCL 处于高电平期间时，SDA 从低电平向高电平跳变时产生停止条件。停止条件简记为P

                                             

 

 数据传输从确定从机地址开始

a）多个从机可连接到同一条I2C 总线上，它们之间通过各自唯一的器件地址来区分

b）一般从机地址由7 位地址位和一位读写标志R/W 组成，7 位地址占据高7 位，读写位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据

以字节为单位的数据传输方式

a）I2C 总线以字节（Byte）为单位收发数据，主机总是先发地址再发数据

b）在I2C 总线传输数据过程中，每传输一个字节，都要跟一个应答状态位。遵循“谁接收谁产生”的原则，即总是由接收器产生应答位，应答位为0 表示接收器应答（ACK）；为1 则表示非应答（NACK）

c）如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接收更多的数据时，应当产生非应答来通知发送器

 

I2C总线数据传输时序图示

1）传输格式图示

                        

（灰色为主机的工作时隙，白色为从机的工作时隙）

S：起始位（START）

SA：从机地址（Slave Address），7 位从机地址

W：写标志位（Write），1 位写标志

R：读标志位（Read），1 位读标志

A：应答位（Acknowledge），1 位应答

A：非应答位（Not Acknowledge），1 位非应答

D：数据（Data），每个数据都必须是8 位

P：停止位（STOP）

I2C协议：I2C协议把传输的消息分为两种类型的帧： 

一个地址帧 —— 用于master指明消息发往哪个slave； 

一个或多个数据帧 —— 由master发往slave的数据（或由slave发往master），每一帧是8-bit的数据。 

注：协议要求每次放到SDA上的字节长度必须为8位，并且每个字节后须跟一个ACK位，在下面会讲到。 

数据在SCL处于低电平时放到SDA上，并在SCL变为高电平后进行采样。读写数据和SCL上升沿之间的时间间隔是由总线上的设备自己定义的，不同芯片可能有差异。 I2C数据传输的时序图如下： 

2）传输时序示例

开始条件（start condition）： 

为了标识传输正式启动，master设备会将SCL置为高电平（当总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态），然后将SDA拉低，这样，所有slave设备就会知道传输即将开始。如果两个master设备在同一时刻都希望获得总线的所有权，那么谁先将SDA拉低，谁就赢得了总线的控制权。在整个通信期间，可以存在多个start来开启每一次新的通信序列（communication sequence），而无需先放弃总线的控制权，后面会讲到这种机制。 

地址帧（address frame）： 

地址帧总是在一次通信的最开始出现。一个7-bit的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟1-bit的操作符，1表示读操作，0表示写操作。 

接下来的一个bit是NACK/ACK，当这个帧中前面8bits发送完后，接收端的设备获得SDA控制权，此时接收设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK（将SDA拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由master来决定如何处理（stop或repeated start condition）。 

数据帧（data frames）： 

在地址帧发送之后，就可以开始传输数据了。Master继续产生时钟脉冲，而数据则由master（写操作）或slave（读操作）放到SDA上。每个数据帧8bits，数据帧的数量可以是任意的，直到产生停止条件。每一帧数据传输（即每8-bit）之后，接收方就需要回复一个ACK或NACK（写数据时由slave发送ACK，读数据时由master发送ACK。当master知道自己读完最后一个byte数据时，可发送NACK然后接stop condition）。 

停止条件（stop condition）： 

当所有数据都发送完成时，master将产生一个停止条件。停止条件定义为：在SDA置于低电平时，将SCL拉高并保持高电平，然后将SDA拉高。 

注意，在正常传输数据过程中，当SCL处于高电平时，SDA上的值不应该变化，防止意外产生一个停止条件。 

重复开始条件（repeated start condition）： 

有时master需要在一次通信中进行多次消息交换（例如与不同的slave传输消息，或切换读写操作），并且期间不希望被其他master干扰，这时可以使用“重复开始条件” —— 在一次通信中，master可以产生多次start condition，来完成多次消息交换，最后再产生一个stop condition结束整个通信过程。由于期间没有stop condition，因此master一直占用总线，其他master无法切入。 

为了产生一个重复的开始条件，SDA在SCL低电平时拉高，然后SCL拉高。接着master就可以产生一个开始条件继续新的消息传输（按照正常的7-bit/10-bit地址传输时序）。重复开始条件的传输时序如下图所示： 

                                  

时钟拉伸（clock stretching）： 

有时候，低速slave可能由于上一个请求还没处理完，尚无法继续接收master的后续请求，即master的数据传输速率超过了slave的处理能力。这种情况下，slave可以进行时钟拉伸来要求master暂停传输数据 —— 通常时钟都是由master提供的，slave只是在SDA上放数据或读数据。而时钟拉伸则是slave在master释放SCL后，将SCL主动拉低并保持，此时要求master停止在SCL上产生脉冲以及在SDA上发送数据，直到slave释放SCL（SCL为高电平）。之后，master便可以继续正常的数据传输了。可见时钟拉伸实际上是利用了时钟同步的机制（见下文），只是时钟由slave产生。 

如果系统中存在这种低速slave并且slave实现了clock stretching，则master必须实现为能够处理这种情况，实际上大部分slave设备中不包含SCL驱动器的，因此无法拉伸时钟。 

所以更完整的I2C数据传输时序图为： 

10-bit地址空间： 

上面讲到I2C支持10-bit的设备地址，此时的时序如下图所示： 

在10-bit地址的I2C系统中，需要两个帧来传输slave的地址。第一个帧的前5个bit固定为b11110，后接slave地址的高2位，第8位仍然是R/W位，接着是一个ACK位，由于系统中可能有多个10-bit slave设备地址的高2bit相同，因此这个ACK可能由多有slave设备设置。第二个帧紧接着第一帧发送，包含slave地址的低8位（7:0），接着该地址的slave回复一个ACK（或NACK）。 

注意，10-bit地址的设备和7-bit地址的设备在一个系统中是可以并存的，因为7-bit地址的高5位不可能是b11110。实际上对于7-bit的从设备地址，合法范围为b0001XXX-b1110XXX，’X’表示任意值，因此该类型地址最多有112个（其他为保留地址[1]）。 

两个地址帧传输完成后，就开始数据帧的传输了，这和7-bit地址中的数据帧传输过程相同。

 

时钟同步和仲裁

如果两个master都想在同一条空闲总线上传输，此时必须能够使用某种机制来选择将总线控制权交给哪个master，这是通过时钟同步和仲裁来完成的，而被迫让出控制权的master则需要等待总线空闲后再继续传输。在单一master的系统上无需实现时钟同步和仲裁。

 

时钟同步

时钟同步是通过I2C接口和SCL之间的线“与”（wired-AND）来完成的，即如果有多个master同时产生时钟，那么只有所有master都发送高电平时，SCL上才表现为高电平，否则SCL都表现为低电平。

 

总线仲裁

总线仲裁和时钟同步类似，当所有master在SDA上都写1时，SDA的数据才是1，只要有一个master写0，那此时SDA上的数据就是0。一个master每发送一个bit数据，在SCL处于高电平时，就检查看SDA的电平是否和发送的数据一致，如果不一致，这个master便知道自己输掉仲裁，然后停止向SDA写数据。也就是说，如果master一直检查到总线上数据和自己发送的数据一致，则继续传输，这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的master不会丢失数据。 

输掉仲裁的master在检测到自己输了之后也不再产生时钟脉冲，并且要在总线空闲时才能重新传输。 

仲裁的过程可能要经过多个bit的发送和检查，实际上两个master如果发送的时序和数据完全一样，则两个master都能正常完成整个的数据传输。

 

I2C波形

设定I2C读的地址：01101101(0x6d)  10001000(0x88)，注意观察第9个时钟为低电平，表示从设备应答Slave Read Address：0x6d，ID register value：0x88

             

 

所应用范围包括：摄像头、调频收音机芯片、音频编解码芯片、模拟电视、光电鼠标等