I2C總線的電平邏輯

一、概述

IIC-BUS，是 Inter-Integrated Circuit Bus 的縮寫，顧名思義，簡單、方便地連接各種外設(shè)芯片，一種雙向2線制同步串行總線。

二、基本特征

基本特征如下：

串行(只有一根數(shù)據(jù)線，只能一位一位 bit 發(fā)送和接收)

同步(兩邊使用共同的時(shí)鐘線：無論是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)鐘都是由主機(jī)提供)

單端(區(qū)別于差分信號，數(shù)據(jù)線使用絕對電平作為 0 或者 1 的區(qū)分)

雙向(半雙工，同一時(shí)間只能接收或者發(fā)送)

主從(Master/Slave，只能由主機(jī)發(fā)起通信請求，從機(jī)只能響應(yīng))

總線(Bus，一條通信鏈路可以接多個(gè)設(shè)備)

三、電路連接和配置

一般的電路連接如下所示：

右圖中可知，設(shè)備間連接至少需要三根線：SDA(串行數(shù)據(jù)線)、SCL(串行時(shí)鐘線)和 GND(地)。

需要注意的是，無論是主機(jī)還是從機(jī) SDA 和 SCL 的引腳，都需要配置成漏極開路(OD：Open drain，存在于MOS管中)或者集電極開路的(Open Collector，存在于三極管中)的形式：

這個(gè)特征需要我們在嵌入式系統(tǒng)中使用 IIC 時(shí)需要考慮兩個(gè)點(diǎn)：

硬件設(shè)計(jì)時(shí)，兩根信號線都需要增加上拉電阻

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，單片機(jī)的 GPIO 端口要配置成漏極開路(OD：Open drain)模式，效果就是：導(dǎo)通時(shí)會將總線電壓拉低到地，不導(dǎo)通時(shí)就是高阻態(tài)，等效于一個(gè)阻值超級大的電阻，相當(dāng)于分壓很大，不影響信號線的電平)

這樣的電路設(shè)計(jì)其實(shí)是為了實(shí)現(xiàn) 線與功能，線與的意思就是邏輯與，對應(yīng)到這里的的電路是：所有設(shè)備不拉低才為高，只要有一個(gè)設(shè)備拉低就會將總線拉低。

四、優(yōu)點(diǎn)

只需要2根信號線(節(jié)約 PCB 板面積、引腳、成本等，都是錢呀)

協(xié)議簡單(當(dāng)然是相對于 USB、以太網(wǎng)等協(xié)議)

協(xié)議容易實(shí)現(xiàn)(硬件電路比較簡單)

支持的器件多(硬件 IIC 功能是現(xiàn)在單片機(jī)的標(biāo)配，當(dāng)然一些低端的 8 位單片機(jī)可能沒有，但也能使用 GPIO 模擬實(shí)現(xiàn)) 。

總線可以同時(shí)掛載多個(gè)器件 (這就是總線的優(yōu)勢了)

總線電氣兼容性好(對于常用的 5V、3.3V都支持，就看你上拉電阻選擇哪一個(gè)了)

速率較高(100kbps ~ 400kbps ~3.4Mbps，其實(shí)這個(gè)速率只能算一般吧)

距離較遠(yuǎn)(幾米，降低速率~十幾米，不過一般都是比較近的使用場景，為了保證信號的準(zhǔn)確性，遠(yuǎn)距離會選擇具有差分信號的信號線)

五、I2C 總線的電平邏輯

I2C 是電平有效的(SPI 則是邊沿有效的)，也就是說：在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，在 SCL 為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線 SDA 的電平發(fā)生變化，在 SCL為高電平時(shí)，SDA 的電平保持不變(這個(gè)時(shí)候的電平就是通信的數(shù)據(jù)位)。

當(dāng)然，也有特殊情況，在 I2C 總線開始和結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SDA 在 SCL 為高時(shí)變化，這正好能夠區(qū)分是傳輸數(shù)據(jù)還是起始結(jié)束信號。

5.1、起始與結(jié)束信號

如圖所示，

起始位：

當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從高電平向低電平跳變，產(chǎn)生“起始”位。總線在起始條件產(chǎn)生后便處于忙(Busy)的狀態(tài)。可將“起始”位簡記為S。

停止位：

當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA從低電平向高電平跳變，產(chǎn)生“停止”位。總線在停止條件產(chǎn)生后處于空困狀態(tài)。可將“停止”位簡記為P。

5.2、通信數(shù)據(jù)幀

灰色方塊表示主機(jī)控制 SDA 數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)，白色方塊表示從機(jī)控制 SDA 數(shù)據(jù)線給主機(jī)應(yīng)答或者響應(yīng)數(shù)據(jù)給主機(jī)。

SA(Slave Address) 為從機(jī)地址，主機(jī)不需要地址，但是從機(jī)必須要有個(gè)地址，因?yàn)榭偩€連接多個(gè)設(shè)備時(shí)需要用地址區(qū)分，同時(shí)設(shè)備也只響應(yīng)針對自身地址的通信，其中總線的從機(jī)地址位為 7 bits，即只可以連接 128 個(gè)從機(jī)設(shè)備。(值得說明的是，大多數(shù) I2C 從機(jī)設(shè)備會將這7位固定好幾位，這樣有能夠減少設(shè)備的引腳數(shù)的優(yōu)勢，這個(gè)看手冊的說明即可)

5.3、高階知識

重復(fù)起始(Repeated Start)

上圖中的 Sr 為重復(fù)起始 (Repeated Start)

I2C 通訊中，有時(shí)需要切換數(shù)據(jù)收發(fā)的方向，例如 I2C 設(shè)備是個(gè)EEPROM 存儲器時(shí)，要讀 EEEPROM ，需要先寫入地址(主->從)，再讀取數(shù)據(jù)(從->主)，此時(shí)無需給出停止位，然后再給開始位，而是直接再產(chǎn)生一次開始位，就可以了，稱為“重復(fù)起始位，記為 Sr。這樣做的好處是提高了通信的效率。

I2C 從設(shè)備子地址

我們知道，有一些 I2C 器件，除了器件自身的 I2C 地址SA外，其內(nèi)部還有若干個(gè)單元可被訪問，相應(yīng)具有子地址(寄存器)，

比較典型的是 EEPROM 存儲器等，子地址可以是 1字節(jié)~N字節(jié)，主機(jī)可以發(fā)送數(shù)據(jù)來對子地址進(jìn)行控制。下面我們來探討兩種情況：對從設(shè)備的寄存器寫入數(shù)據(jù)和對讀取從設(shè)備某些寄存器的值。

如下圖所示，

主機(jī)先發(fā)送從機(jī)的 IIC 地址和寫標(biāo)記，接著緊跟寄存器的地址，然后跟著發(fā)送該寄存器的數(shù)據(jù)，完成對指定寄存器的寫入操作。