I2C組成原理及通訊模式

1. 什么是I2C？

I2C全拼Inter Integrated Circuit，簡稱IIC或I2C，是由Philips公司開發(fā)的兩線時串行總線，用于SOC與外設(shè)的連接通訊，它只需要兩根線就能實現(xiàn)I2C的通訊，采用主從模式，主的一方可以讀寫數(shù)據(jù)，而從的一方只能等待被讀寫。從的一方?jīng)]有主動權(quán)。

I2C是雙向通訊的，由兩根線完成，分別是：SDA（串行數(shù)據(jù)線）、SCL（串行時鐘線），接口輸出模式為開漏輸出，其總線接口已經(jīng)集成到SOC內(nèi)部，我們只需要通過原理圖找到它的接口，在用外設(shè)的杜邦線或者其它方法連接到此接口上就可以實現(xiàn)I2C的通訊。

SDA與SCL都外接了上拉電阻，所以當(dāng)SDA空閑時刻輸出的永遠(yuǎn)是高電平，它對外設(shè)也有一定要求，要求外設(shè)的輸出模式也是開漏輸出，因為這跟它本身的電路實現(xiàn)有關(guān)，若兩個電路接口模式不一則是無法完成正常通訊的。

其中I2C里的上拉電阻也不是隨便用的，因為電阻值越高意味著信號拉高周期越長，那么通訊周期時間就越高，速率就下來了。

I2C為每個設(shè)備提供了一個地址，可以通過這個地址找到不同的設(shè)備，來表明不同的設(shè)備，只有從設(shè)備收到是自己的地址時才響應(yīng)。

因為連接在I2C上的可能有很多個設(shè)備，從設(shè)備需要設(shè)置自己的地址，主設(shè)備不用，因為主設(shè)備是不會被從設(shè)備讀寫的，主設(shè)備是負(fù)責(zé)讀寫其它設(shè)備的。

通訊時會有一個起始數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)是9個bit位，前7位是從設(shè)備地址，最后一位是方向（0/1(讀或?qū)?）

這也就表明從設(shè)備的地址不能超過7個bit

2. I2C組成原理

架構(gòu)圖：

SMBA線用于SMBUS 的警告信號，I2C 通訊沒有使用，可以忽略

I2C內(nèi)部是有自己的控制單元的，用于處理I2C的通訊，可以說是一個小芯片，它不屬于CPU，它只是被集成SOC里（看架構(gòu)，有的架構(gòu)是沒有的）

3. I2C的特性

僅需兩根線

接口集成在PCB內(nèi)部

因為是開漏輸出，電流消耗較小(高電流由上拉電阻完成，通常情況下器件不需要輸出高電平所以這塊功耗較小)

世界級標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)開發(fā)板都支持

一對多，一根線接多跟外設(shè)，通過地址區(qū)分，節(jié)省排版空間

4. I2C的通訊模式

雙向傳輸總線：

模式	速率（kbit/s）
標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard-mode）	100
快速模式（Fast-mode）	400
快速模式+（Fast-mode Plus）	1M
高速模式（High-speed mode）	3.4M

單向傳輸總線：

模式	速率（kbit/s）
超快速模式（Ultra Fast-mode）	5M

這些模式是根據(jù)速率來決定的，也就是說我們將I2C通訊速率設(shè)置成與上面對應(yīng)的速率那么就是處于這個模式當(dāng)中，其中說是這么快其實是有延遲的，因為要流過上拉電阻，這個取決于上拉電阻的阻值，因為信號在經(jīng)過上拉電阻時會有一個周期變化，這個周期變化區(qū)別于阻值。

設(shè)置方法：

我們需要根據(jù)當(dāng)前的PCLK時鐘頻率來計算的，這和設(shè)置PWM占空比類似，都需要經(jīng)過計算然后設(shè)置I2C里的CCR時鐘控制寄存器的值，因為如果頻率不同是無法正常工作的。

如：時鐘頻率是66MHZ，預(yù)分頻值是65MHZ，系數(shù)是1/2那么計算公式如下：

時鐘頻率=PCLK/((預(yù)分頻值+1))/分頻系數(shù)

PCLK我們得知是66，分頻值我們設(shè)置的是65，分頻系數(shù)是1/2也就是除于2

所以公式：66/(65+1)/2 =0.5

在將0.5轉(zhuǎn)化為HZ的單位：0.5*1000=500KHZ，這里還有一個公式，就是算HZ轉(zhuǎn)秒，赫茲的倒數(shù)就是它的秒這個公式：(1/500)=0.002ms,1毫秒=1000微秒,0.002毫秒等于2微秒，通過這樣的算法公式就可以得知我們現(xiàn)在的頻率是每2微秒工作一次

我們想讓它每0.5毫秒工作一次，所以TCNTB的值=500毫秒/當(dāng)前微秒頻率2

500/2=250,所以TCNTB的值應(yīng)該為250，當(dāng)然你也可以這也算，2微秒一次，1毫秒=1000微秒，0.5毫秒就等于500微秒，500微秒/2微秒=250，就得出經(jīng)過250次2微秒后就到達(dá)了500微秒，而500微秒就等于0.5毫秒

5. I2C的通訊過程

通訊步驟：

開始信號：SCL為高電平而SDA由高到低的跳變，表示產(chǎn)生一個起始條件

結(jié)束信號：SCL為高電平而SDA由低到高的跳變，表示產(chǎn)生一個停止條件

應(yīng)答信號：當(dāng)發(fā)送完信號之后則拉低

總線在空閑狀態(tài)時，SCL和SDA都保持著高電平

這三種信號里，起始信號是必須需要的，而結(jié)束信號和應(yīng)答信號都可以視情況不要。

在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨(dú)占，其他I2C器件無法訪問總線；而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)

傳輸過程：

每次傳輸時的數(shù)據(jù)/地址以9位bit進(jìn)行傳輸，前8位是數(shù)據(jù)，最后一位是應(yīng)答位

傳輸時高位在前，低位在后

主設(shè)備在SCL和SDA都處于高電平狀態(tài)時，先將SDA拉到低電平，然后在將SCL也拉入低電平，這樣SDA產(chǎn)生了一個下降沿的信號，從設(shè)備檢測到之后便知道主設(shè)備發(fā)來了起始信號，那么從設(shè)備需要主動拉高SDA線告訴主設(shè)備我準(zhǔn)備好了

這個電平變化不是說一個時間點(diǎn)的變化，比如上一秒是高電平下一秒是低電平這不算變化，時間點(diǎn)變化是要求在一個周期里某一時間段處于高電平，某一時間段處于低電平，整個周期里完成這樣一個動作才屬于上升沿或下降沿變化，這個周期取決于I2C的時鐘頻率

如下圖的周期變化，假設(shè)一個周期是1.2毫秒，那么這個毫秒里的周期變化如下

T1到T2之間處于高電平，T3到T4之間處于低電平，然后整個周期就變成了下降沿的信號

然后主設(shè)備會在SCL線上產(chǎn)生時鐘周期的脈沖信號，即發(fā)高電平，每產(chǎn)生一個脈沖信號都會從SDA線上發(fā)送一個數(shù)據(jù)出去，然后從設(shè)備檢測到脈沖信號了就從SDA線上去讀一個BIT位，在產(chǎn)生脈沖信號之后，SCL是處于低電平的，那么此時SDA電平會根據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（為了防止數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，要求在SCl處于低電平時SDA才允許改變電平值，SCL發(fā)送一次脈沖信號后會要求拉低電平）

首先最開始發(fā)送的是地址信息，每次有效位為8位，當(dāng)主設(shè)備發(fā)送8位之后就不會在發(fā)了，且發(fā)送完八位以后會主動讓SDA線一直處于高電平（因為SDA線發(fā)送BIT可能是高或低電平，可能第8位是低電平所以需要拉高回來），然后就會一直等待從設(shè)備拉低，當(dāng)從設(shè)備拉低以后那么主設(shè)備監(jiān)聽到之后就會認(rèn)為此次通訊是正確的

然后接下來就可以發(fā)送數(shù)據(jù)位了，與地址信息一樣，SCL產(chǎn)生脈沖之后SDA進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從設(shè)備進(jìn)行讀取，當(dāng)發(fā)送完成之后就需要產(chǎn)生停止位，這個是由主設(shè)備完成的，會拉高SCL電平使其一直處于高電平，然后將SDA進(jìn)行周期變化：上升沿，即在一定周期里拉低電平然后在拉高電平，然后此時SCL與SDA都處于高電平模式，則代表總線處于空閑狀態(tài)可以被其它設(shè)備占用

從設(shè)備是需要實時監(jiān)聽SCL的電平變化，來完成對應(yīng)的動作

以下是發(fā)送170（十六進(jìn)制：0xAA; 二進(jìn)制：1010 1010）到從設(shè)備的傳輸時序：

總結(jié)理解起始與結(jié)束信號就是：

起始條件：SCL線是高電平時，SDA線從高電平向低電平切換。

停止條件：SCL線是高電平時，SDA線從低電平向高電平切換。

這其中還有重復(fù)起始條件，即不用停止符號，只需要發(fā)送一個重復(fù)起始條件后續(xù)可以發(fā)送任意字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)全部發(fā)送完成之后在發(fā)送停止條件

即在不釋放總線的情況下給從設(shè)備發(fā)送Sr信號，然后重復(fù)上一次的傳輸，這樣做的好處在于不會出現(xiàn)在傳輸期間被別的設(shè)備搶占的情況，因為每次傳輸結(jié)束都會有一定的空閑時間，如果這個時間周期被別的設(shè)備占用會出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)不完整的情況，因為每次傳輸只能傳輸一個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)位，每次通訊都要產(chǎn)生起始和結(jié)束信號，所以會有一定的空閑時間

具體的通訊步驟可以參考I2C官方文檔

6. I2C接口工作模式

I2C接口有四種工作模式

工作模式	介紹
從發(fā)送器模式	從設(shè)備收到主設(shè)備發(fā)來的ADDR地址后，將內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器里的值通過數(shù)據(jù)控制模塊，發(fā)送給SDA總線，這種模式一般應(yīng)用于主設(shè)備讀取從設(shè)備里的數(shù)據(jù)
從接收器模式	從設(shè)備收到主設(shè)備發(fā)來的ADDR地址后，通過數(shù)據(jù)控制模塊將SDA總線的數(shù)據(jù)存于到數(shù)據(jù)寄存器中
主發(fā)送器模式	在發(fā)送ADDR地址后且得到從設(shè)備響應(yīng)后將數(shù)據(jù)寄存器里的值發(fā)送到SDA總線上
主接收器模式	在發(fā)送ADDR地址后且得到從設(shè)備響應(yīng)后將SDA總線上的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)寄存器中

數(shù)據(jù)寄存器一般是DR寄存器（數(shù)據(jù)緩存寄存器），這塊寄存器是等待內(nèi)部程序?qū)⑵渥x走的

其中因為是高位到地位發(fā)送的，所以內(nèi)部會有一個位移寄存器的過程才能寫入到DR寄存器

7. 硬件拉高拉低的過程

I2C的SDA與SCL都外接了上拉電阻，如果一直處于拉高狀態(tài)那么只能輸出高電平無法輸出低電平，那么數(shù)字邏輯信號時鐘是1，這樣結(jié)果是不對的，所以需要有一個拉低的過程才能保證傳輸?shù)腷it位是有效且正確的。

I2C內(nèi)部有一個邏輯控制器，負(fù)責(zé)控制這一塊，當(dāng)需要上拉時候會控制FET（場效應(yīng)管，主要作用是控制半導(dǎo)體器件，控制電阻值），來拉低上拉電阻值使其電流固定在低電平值范圍，產(chǎn)生低電平信號

拉低：

拉高：

S3C2400的物理層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（僅供參考）：

8. 一對多

I2C給每個從設(shè)備設(shè)置地址，然后通過發(fā)送地址位來選擇要操控哪個從設(shè)備。

在每個從設(shè)備連接后需要設(shè)置自己的地址，便于I2C主設(shè)備查找。

每個設(shè)備連接到I2C的SDA與SCL上，然后I2C主設(shè)備對這條線發(fā)送地址當(dāng)從設(shè)備收到以后來確定是否是尋找自己

下圖的連接就是將所有設(shè)備的SCL與SDA連接到I2C的主設(shè)備上，也就是說將I2C主設(shè)備的SDA與SCL引出來，然后從設(shè)備接到這根線上去，然后發(fā)送數(shù)據(jù)時接在這跟線上的所有設(shè)備都能監(jiān)聽到電平變化，就像socket的廣播模式一樣。

主設(shè)備是不需要設(shè)置自身地址的，因為不會有人找它，當(dāng)然如果要與其它外設(shè)進(jìn)行合作開發(fā)，可以設(shè)置一個自己的地址，并編寫監(jiān)聽代碼讓自己做主或從