I2C總線協議詳解

1.1 I2C總線知識

1.1.1  I2C總線物理拓撲結構
 
    I2C 總線在物理鏈接上很是簡單，分別由SDA(串行數據線)和SCL(串行時鐘線)及上拉電阻組成。通訊原理是經過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來 產生I2C總線協議所須要的信號進行數據的傳遞。在總線空閒狀態時，這兩根線通常被上面所接的上拉電阻拉高，保持着高電平。

1.1.2  I2C總線特徵
    I2C總線上的每個設備均可以做爲主設備或者從設備，並且每個設備都會對應一個惟一的地址(能夠從I2C器件的數據手冊得知)，主從設備之間就經過這 個地址來肯定與哪一個器件進行通訊，在一般的應用中，咱們把CPU帶I2C總線接口的模塊做爲主設備，把掛接在總線上的其餘設備都做爲從設備。
    I2C總線上可掛接的設備數量受總線的最大電容400pF 限制，若是所掛接的是相同型號的器件，則還受器件地址位的限制。
    I2C總線數據傳輸速率在標準模式下可達100kbit/s，快速模式下可達400kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。通常經過I2C總線接口可編程時鐘來實現傳輸速率的調整，同時也跟所接的上拉電阻的阻值有關。
    I2C總線上的主設備與從設備之間以字節(8位)爲單位進行雙向的數據傳輸。

1.1.3  I2C總線協議
    I2C協議規定，總線上數據的傳輸必須以一個起始信號做爲開始條件，以一個結束信號做爲傳輸的中止條件。起始和結束信號老是由主設備產生。總線在空閒狀態 時，SCL和SDA都保持着高電平，當SCL爲高電平而SDA由高到低的跳變，表示產生一個起始條件；當SCL爲高而SDA由低到高的跳變，表示產生一個 中止條件。在起始條件產生後，總線處於忙狀態，由本次數據傳輸的主從設備獨佔，其餘I2C器件沒法訪問總線；而在中止條件產生後，本次數據傳輸的主從設備 將釋放總線，總線再次處於空閒狀態。如圖所示：

    在瞭解起始條件和中止條件後，咱們再來看看在這個過程中數據的傳輸是如何進行的。前面咱們已經提到過，數據傳輸以字節爲單位。主設備在SCL線上產生每一個 時鐘脈衝的過程當中將在SDA線上傳輸一個數據位，當一個字節按數據位從高位到低位的順序傳輸完後，緊接着從設備將拉低SDA線，回傳給主設備一個應答位， 此時才認爲一個字節真正的被傳輸完成。固然，並非全部的字節傳輸都必須有一個應答位，好比：當從設備不能再接收主設備發送的數據時，從設備將回傳一個否 定應答位。數據傳輸的過程如圖所示：
 
    在前面咱們還提到過，I2C總線上的每個設備都對應一個惟一的地址，主從設備之間的數據傳輸是創建在地址的基礎上，也就是說，主設備在傳輸有效數據以前 要先指定從設備的地址，地址指定的過程和上面數據傳輸的過程同樣，只不過大多數從設備的地址是7位的，而後協議規定再給地址添加一個最低位用來表示接下來 數據傳輸的方向，0表示主設備向從設備寫數據，1表示主設備向從設備讀數據。如圖所示：
 
1.1.4  I2C總線操做
    對I2C總線的操做實際就是主從設備之間的讀寫操做。大體可分爲如下三種操做狀況：
    第一，主設備往從設備中寫數據。數據傳輸格式以下：
    

    第二，主設備從從設備中讀數據。數據傳輸格式以下：
    

    第三，主設備往從設備中寫數據，而後重啓起始條件，緊接着從從設備中讀取數據；或者是主設備從從設備中讀數據，而後重啓起始條件，緊接着主設備往從設備中寫數據。數據傳輸格式以下：

    第三種操做在單個主設備系統中，重複的開啓起始條件機制要比用STOP終止傳輸後又再次開啓總線更有效率。