21.1

I2C簡介

I2C通訊協議（Inter-Integrated Circuit）是由 Philips公司開發的，由于它引腳少，硬件實現簡單，可擴展性強，不需要USART、CAN等通訊協議的外部收發設備，現在被廣泛地使用在系統內多個集成電路（IC）間的通訊。

在計算機科學里，大部分復雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分為內核層和片上外設；瑞薩的FPS庫則是在寄存器與用戶代碼之間的軟件層。

對于通訊協議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協議層。物理層規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始數據在物理媒體的傳輸。協議層主要規定通訊邏輯，統一收發雙方的數據打包、解包標準。

簡單來說物理層規定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協議層則規定我們用中文還是英文來交流。

下面我們分別對I2C協議的物理層及協議層進行講解。

21.1.1

I2C物理層

I2C通訊設備之間的常用連接方式見圖22_1。

圖22?1 常見的I2C通訊系統

它的物理層有如下特點：

（1）它是一個支持設備的總線。“總線”指多個設備共用的信號線。在一個I2C通訊總線中，可連接多個I2C通訊設備，支持多個通訊主機及多個通訊從機。

（2）一個I2C總線只使用兩條總線線路，一條雙向串行數據線（SDA），一條串行時鐘線（SCL）。數據線即用來表示數據，時鐘線用于數據收發同步。

（3）每個連接到總線的設備都有一個獨立的地址，主機可以利用這個地址進行不同設備之間的訪問。

（4）總線通過上拉電阻接到電源。當I2C設備空閑時，會輸出高阻態，而當所有設備都空閑，都輸出高阻態時，由上拉電阻把總線拉成高電平。

（5）多個主機同時使用總線時，為了防止數據沖突，會利用仲裁方式決定由哪個設備占用總線。

（6）具有三種傳輸模式：標準模式傳輸速率為100kbit/s，快速模式為400kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s，但目前大多I2C設備尚不支持高速模式。

（7）連接到相同總線的IC數量受到總線的最大電容400pF限制。

21.1.2

協議層

I2C的協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、響應、仲裁、時鐘同步和地址廣播等環節。

21.1.2.1

I2C基本讀寫過程

先看看I2C通訊過程的基本結構，它的通訊過程見圖22_2、圖22_3及圖22_4。

圖22?2 主機寫數據到從機

圖22?3 主機由從機中讀數據

圖22?4 I2C通訊復合格式

圖例

數據由主機傳輸至從機

S：傳輸開始信號

SLAVE_ADDRESS：從機地址

數據由從機傳輸至主機

R/W-：傳輸方向選擇位，1為讀，0為寫

A/A-：應答（ACK）或非應答（NACK）信號

P：停止傳輸信號

這些圖表示的是主機和從機通訊時，SDA線的數據包序列。

其中S表示由主機的I2C接口產生的傳輸起始信號（S），這時連接到I2C總線上的所有從機都會接收到這個信號。

起始信號產生后，所有從機就開始等待主機緊接下來廣播的從機地址信號（SLAVE_ADDRESS）。在I2C總線上，每個設備的地址都是唯一的，當主機廣播的地址與某個設備地址相同時，這個設備就被選中了，沒被選中的設備將會忽略之后的數據信號。根據I2C協議，這個從機地址可以是7位或10位。

在地址位之后，是傳輸方向的選擇位，該位為0時，表示后面的數據傳輸方向是由主機傳輸至從機，即主機向從機寫數據。該位為1時，則相反，即主機由從機讀數據。

從機接收到匹配的地址后，從機會返回一個應答（ACK）或非應答（NACK）信號，只有接收到應答信號后，主機才能繼續發送或接收數據。

寫數據

若配置的方向傳輸位為“寫數據”方向，即第一幅圖的情況，廣播完地址，接收到應答信號后，主機開始正式向從機傳輸數據（DATA），數據包的大小為8位，主機每發送完一個字節數據，都要等待從機的應答信號（ACK），重復這個過程，可以向從機傳輸N個數據，這個N沒有大小限制。當數據傳輸結束時，主機向從機發送一個停止傳輸信號（P），表示不再傳輸數據。

讀數據

若配置的方向傳輸位為“讀數據”方向，即第二幅圖的情況，廣播完地址，接收到應答信號后，從機開始向主機返回數據（DATA），數據包大小也為8位，從機每發送完一個數據，都會等待主機的應答信號（ACK），重復這個過程，可以返回N個數據，這個N也沒有大小限制。當主機希望停止接收數據時，就向從機返回一個非應答信號（NACK），則從機自動停止數據傳輸。

讀和寫數據

除了基本的讀寫，I2C通訊更常用的是復合格式，即第三幅圖的情況，該傳輸過程有兩次起始信號（S）。一般在第一次傳輸中，主機通過SLAVE_ADDRESS尋找到從設備后，發送一段“數據”，這段數據通常用于表示從設備內部的寄存器或存儲器地址（注意區分它與SLAVE_ADDRESS的區別）；在第二次的傳輸中，對該地址的內容進行讀或寫。也就是說，第一次通訊是告訴從機讀寫地址，第二次則是讀寫的實際內容。

以上通訊流程中包含的各個信號分解如下：

21.1.2.2. 通訊的起始和停止信號

前文中提到的起始(S)和停止(P)信號是兩種特殊的狀態，見圖 22?5。當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示通訊的起始。當 SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換，表示通訊的停止。起始和停止信號一般由主機產生。

圖 22?5 起始和停止信號

21.1.2.3. 數據有效性

I2C使用SDA信號線來傳輸數據，使用SCL信號線進行數據同步。見圖22_6。 SDA數據線在SCL的每個時鐘周期傳輸一位數據。傳輸時，SCL為高電平的時候SDA表示的數據有效，即此時的SDA為高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。當SCL為低電平時，SDA的數據無效，一般在這個時候SDA進行電平切換，為下一次表示數據做好準備。

圖 22?6 數據有效性

每次數據傳輸都以字節為單位，每次傳輸的字節數不受限制。

21.1.2.4. 地址及數據方向

I2C總線上的每個設備都有自己的獨立地址，主機發起通訊時，通過SDA信號線發送設備地址(SLAVE_ADDRESS)來查找從機。 I2C協議規定設備地址可以是7位或10位，實際中7位的地址應用比較廣泛。 緊跟設備地址的一個數據位用來表示數據傳輸方向，它是數據方向位(R/)，第8位或第11位。數據方向位為“1”時表示主機由從機讀數據， 該位為“0”時表示主機向從機寫數據。見圖22_7。

圖 22?7 設備地址(7位)及數據傳輸方向

讀數據方向時，主機會釋放對SDA信號線的控制，由從機控制SDA信號線，主機接收信號；寫數據方向時，SDA由主機控制，從機接收信號。

21.1.2.5. 響應

I2C的數據和地址傳輸都帶響應。響應包括“應答(ACK)”和“非應答(NACK)”兩種信號。作為數據接收端時， 當設備(無論主從機)接收到I2C傳輸的一個字節數據或地址后，若希望對方繼續發送數據， 則需要向對方發送“應答(ACK)”信號，發送方會繼續發送下一個數據；若接收端希望結束數據傳輸， 則向對方發送“非應答(NACK)”信號，發送方不會繼續發送下一個數據，之后主機會產生一個停止的信號，并且結束信號傳輸。見圖22_8。

圖 22?8 響應與非響應信號

傳輸時主機產生時鐘，在第9個時鐘時，數據發送端會釋放SDA的控制權，由數據接收端控制SDA，若SDA為高電平，表示非應答信號(NACK)，低電平表示應答信號(ACK)。