淺談I2C總線，有時候它也叫 IIC

I2C(Inter Integrated Circuit，內部集成電路)總線是價格低廉卻很有效的用以互連小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)內的外設的網(wǎng)絡。I2C 總線有時候也叫作 IIC，它已有20多年的歷史了。I2C 接口和 SPI 接口的作用相同，但二者的使用方法有些不同。

I2C 總線用兩根線來連接多支路總線中的多個設備。這種總線是雙向、低速的，并與公共時鐘同步?？梢灾苯訉⒁粋€設備接到 I2C 總線上或是從該總線上取下，而不會影響其他設備。一些生產(chǎn)商比如 Microchip 公司、Philips 公司、Intel 公司等生產(chǎn)的小型微處理器都內置了 I2C 接口。I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸率比 SPI 總線要慢一些，在標準模式下的傳輸速度為 100kbps，在快速模式下為 400kbps。

利用 I2C 接口在設備之間進行連接使用的兩根線是 SDA(串行數(shù)據(jù))和 SCL(串行時鐘)，它們都是開漏，通過一個上拉電阻接到正電源，因此在不使用的時候扔保持高電平。使用 I2C 總線進行通信的設備驅動這兩根線變?yōu)榈碗娖?，在不使用的時候就讓它們保持高電平。每個連到 I2C 的設備都有一個唯一地址，這個設備可以是數(shù)據(jù)發(fā)送者(總線主機)、接收者(總線從機)，也可以二者都是。I2C 是多主機總線，這意味著可以有多個設備充當總線主機的角色。

圖1. I2C總線連線圖

SDA 和 SCL 都是雙向的。SPI 總線有兩根單獨的線，分別用于兩個方向的通信，而 I2C 總線不同，它使用同一根線來完成主機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收從機響應。另外，與 SPI 總線具有多個工作模式不同，I2C 總線只有一個工作模式，時鐘線 SCL 和數(shù)據(jù)線 SDA 之間的時序關系很簡單直觀：當空閑的時候，SDA 和 SCL 都是高電平，只有 SDA 變?yōu)榈碗娖剑又?SCL 也變?yōu)榈碗娖綍r，才開始 I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸。當 SDA 和 SCL 都變?yōu)榈碗娖綍r，就是告訴總線上的所有接收設備數(shù)據(jù)包的傳輸開始了，在 SCL 變?yōu)榈碗娖胶?，SDA 才發(fā)送第一個有效數(shù)據(jù)位，這稱為開始條件。

對于被傳輸?shù)拿恳晃唬?SCL 為低電平時在 SDA 上必須變?yōu)橛行В撐皇窃?SCL 的上升沿對 SDA 上的數(shù)據(jù)位進行采樣的，也必須一直保持有效直到 SCL 再次變?yōu)榈碗娖?，然?SDA 就在 SCL 再次變?yōu)楦唠娖街皞鬏斚乱晃弧?/p>

最后，SCL 變?yōu)楦唠娖剑又?SDA 也變?yōu)楦唠娖剑瑪?shù)據(jù)傳輸結束。這被稱為結束條件。

圖2. I2C總線傳輸?shù)拈_始條件和結束條件

無論多大的數(shù)據(jù)包都可以通過 I2C 總線進行傳輸。像 SPI 總線一樣，I2C 也是高位先傳輸。如果數(shù)據(jù)接收者無法再接收更多的數(shù)據(jù)，它可以通過將SCL保持低電平來中斷傳輸，這樣可以迫使數(shù)據(jù)發(fā)送者等待，直到 SCL 被重新釋放。

發(fā)送方發(fā)出的每個字節(jié)都必須經(jīng)過接收方確認，每個字節(jié)的第8位數(shù)據(jù)一旦傳送結束，發(fā)送方就釋放數(shù)據(jù)線 SDA，然后主機在 SCL 上產(chǎn)生一個額外的時鐘脈沖，這會觸發(fā)接收方通過將 SDA 置為低電平來表示接收到的字節(jié)進行確認。如果接收方?jīng)]有能將 SDA 置為低電平，發(fā)送方就會中斷傳輸，并且采取適當?shù)腻e誤處理措施。

圖3. 帶有接收方確認的I2C數(shù)據(jù)包

由于 I2C 是多主機總線，因此存在同一時刻會有多個主機試圖開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡?。SPI 總線使用一個獨立的片選端來使接收從機有效，每個 SPI 從機都有一個單獨的片選端，由主機驅動。I2C 沒有這樣的選擇機制，不過總線上的每個設備都有一個唯一的地址，數(shù)據(jù)包傳輸時先發(fā)送地址位，接著才是數(shù)據(jù)。一個地址字節(jié)由7個地址位和1個指示位組成。如果指示位是0，意味著這個傳輸是一個寫操作，被選中的從機將接收數(shù)據(jù)并將其作為輸入;如果指示位是1，就要求從機將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機。

I2C 總線還支持一個擴展的10位尋址模式，可連接的外設數(shù)量可達1024個，使用7位尋址模式的設備和10位尋址模式的設備可以在同一個系統(tǒng)中混合使用。10位尋址時，使用2個字節(jié)來保存地址。如果第1個地址字節(jié)以0b11110xx_開始，就會產(chǎn)生一個10位地址，第1個字節(jié)的第1、2位(第0位是讀寫指示位)和第2個字節(jié)的8位合起來構成10位的地址。而7位設備將會忽略這個過程。

圖4. I2C普通的和帶重復開始條件的7位地址格式

圖5. I2C總線10位地址格式