什么是I2C協(xié)議 I2C總線(xiàn)的控制邏輯

一、什么是I2C協(xié)議 ? ? ?

I2C協(xié)議是一個(gè)允許一主多從進(jìn)行通訊的協(xié)議。它就像串行外設接口（SPI）一樣，只能用于短距離通信。又像異步串行接口（如RS232或UART）， 只需要兩根信號線(xiàn)來(lái)交換信息。

實(shí)現I2C需要兩根信號線(xiàn)完成信息交換，SCL時(shí)鐘信號線(xiàn)，SDA數據輸入/輸出線(xiàn)。它屬于同步通信，由于輸入輸出數據均使用一根線(xiàn)，因此通信方向為半雙工。

總結：短距離、一主多從、半雙工、兩根線(xiàn)、同步通訊

二、名詞解釋 ? ? ?

什么是半雙工呢？什么是同步通訊？什么是異步通訊？

1 什么是半雙工？

數據通信中，數據在線(xiàn)路上的傳送方式可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。

單工通信：是指消息只能單方向傳輸的工作方式。例如遙控、遙測(一部分)，就是單工通信方式。單工通信信道是單向信道，發(fā)送端只能發(fā)送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發(fā)送信息。

半雙工：是指數據可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送，因此又被稱(chēng)為雙向交替通信。半雙工方式要求收發(fā)兩端都有發(fā)送和接收能力。由于這種方式要頻繁變換信道方向，故效率低，但可以節約傳輸線(xiàn)路。

全雙工：是指在通信的任意時(shí)刻，線(xiàn)路上可以同時(shí)存在A(yíng)到B和B到A的雙向信號傳輸。在全雙工方式下，通信系統的每一端都設置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數據同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式無(wú)需進(jìn)行方向的切換，因此，沒(méi)有切換操作所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，這對那些不能有時(shí)間延誤的交互式應用（例如遠程監測和控制系統）十分有利。比如，電話(huà)機則是一種全雙工設備，其通話(huà)雙方可以同時(shí)進(jìn)行對話(huà)。

2.2 什么是同步通訊

同步通信：發(fā)送端在發(fā)送串行數據的同時(shí)，提供一個(gè)時(shí)鐘信號，并按照一定的約定（例如：在時(shí)鐘信號的上升沿的時(shí)候，將數據發(fā)送出去）發(fā)送數據，接收端根據發(fā)送端提供的時(shí)鐘信號，以及大家的約定，接收數據。如：I2C、SPI等有時(shí)鐘信號的協(xié)議，都屬于這種通信方式。

異步通信：接收方并不知道數據什么時(shí)候會(huì )到達，收發(fā)雙方可以有各自自己的時(shí)鐘。發(fā)送方發(fā)送的時(shí)間間隔可以不均，接收方是在數據的起始位和停止位的幫助下實(shí)現信息同步的。這種傳輸通常是很小的分組，比如：一個(gè)字符為一組，數據組配備起始位和結束位。所以這種傳輸方式的效率是比較低的，因為額外加入了很多的輔助位作為負載，常用在低速的傳輸中。

同步通信與異步通信區別：

（1）同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致，發(fā)送端發(fā)送連續的比特流；異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步，發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節后，可經(jīng)過(guò)任意長(cháng)的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節。

（2）同步通信效率高，異步通信效率較低。

（3）同步通信較復雜，雙方時(shí)鐘的允許誤差較??；異步通信簡(jiǎn)單，雙方時(shí)鐘可允許一定誤差。

（4）同步通信可用于點(diǎn)對多點(diǎn)；異步通信只適用于點(diǎn)對點(diǎn)。

三、I2C的功能特點(diǎn) ? ? ?

I2C最重要的功能包括：

只需要兩條總線(xiàn)；

沒(méi)有嚴格的波特率要求，例如使用RS232，主設備生成總線(xiàn)時(shí)鐘；

所有組件之間都存在簡(jiǎn)單的主/從關(guān)系，連接到總線(xiàn)的每個(gè)設備均可通過(guò)唯一地址進(jìn)行軟件尋址；

I2C是真正的多主設備總線(xiàn)，可提供仲裁和沖突檢測；

傳輸速度：

標準模式：Standard Mode = 100 Kbps

快速模式：Fast Mode = 400 Kbps

高速模式：High speed mode = 3.4 Mbps

超快速模式：Ultra fast mode = 5 Mbps

最大主設備數：無(wú)限制；

最大從機數：理論上是127；

四、I2C的高阻態(tài) ? ? ?

漏極開(kāi)路（Open Drain）即高阻狀態(tài)，適用于輸入/輸出，其可獨立輸入/輸出低電平和高阻狀態(tài)，若需要產(chǎn)生高電平，則需使用外部上拉電阻

高阻狀態(tài)：高阻狀態(tài)是三態(tài)門(mén)電路的一種狀態(tài)。邏輯門(mén)的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門(mén)電路。電路分析時(shí)高阻態(tài)可做開(kāi)路理解。

我們知道IIC的所有設備是接在一根總線(xiàn)上的，那么我們進(jìn)行通信的時(shí)候往往只是幾個(gè)設備進(jìn)行通信，那么這時(shí)候其余的空閑設備可能會(huì )受到總線(xiàn)干擾，或者干擾到總線(xiàn)，怎么辦呢？

為了避免總線(xiàn)信號的混亂，IIC的空閑狀態(tài)只能有外部上拉， 而此時(shí)空閑設備被拉到了高阻態(tài)，也就是相當于斷路， 整個(gè)IIC總線(xiàn)只有開(kāi)啟了的設備才會(huì )正常進(jìn)行通信，而不會(huì )干擾到其他設備。

五、數據傳輸協(xié)議 ? ? ? 主設備和從設備進(jìn)行數據傳輸時(shí)遵循以下協(xié)議格式。數據通過(guò)一條SDA數據線(xiàn)在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數據。串行數據序列的結構可以分為：

1 起始位

當主設備決定開(kāi)始通訊時(shí)，需要發(fā)送開(kāi)始信號，并且執行以下過(guò)程：

將SDA線(xiàn)由高電平切換成低電平；

將SCL線(xiàn)由高電平切換成低電平；

在主設備發(fā)送開(kāi)始條件信號之后，所有從機即使處于睡眠模式也將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，并等待接收地址位。

2 地址位

地址位支持7bit、10bit，主設備如果需要向從機發(fā)送/接收數據，首先要發(fā)送對應從機的地址，然后會(huì )匹配總線(xiàn)上掛載的從機的地址，故地址為主要用來(lái)辨識不同設備。

地址位由主機發(fā)送，從設備負責接受并識別該地址是否位自己地址。

3 讀寫(xiě)位

由于I2C是半雙工通訊，所以設備需要確定數據傳輸的方向，故引入了讀寫(xiě)位。

如果主設備需要將數據發(fā)送到從設備，則該位設置為 0；

如果主設備需要往從設備接收數據，則將其設置為 1 ；

讀寫(xiě)位由主機發(fā)送；1表示讀操作，0表示寫(xiě)操作。

4 應答位

I2C最大的一個(gè)特點(diǎn)就是有完善的應答機制，從機接收到主機的數據時(shí)，會(huì )回復一個(gè)應答信號來(lái)通知主機表示“我收到了”。

應答信號：出現在1個(gè)字節傳輸完成之后，即第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期內，此時(shí)主機需要釋放SDA總線(xiàn)，把總線(xiàn)控制權交給從機，由于上拉電阻的作用，此時(shí)總線(xiàn)為高電平，如果從機正確的收到了主機發(fā)來(lái)的數據，會(huì )把SDA拉低，表示應答響應。

非應答信號：當第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí)，SDA保持高電平，表示非應答信號。

非應答信號可能是主機產(chǎn)生也可能是從機產(chǎn)生，產(chǎn)生非應答信號的情況主要有以下幾種：

I2C總線(xiàn)上沒(méi)有主機所指定地址的從機設備；

從機正在執行一些操作，處于忙狀態(tài)，還沒(méi)有準備好與主機通訊；

主機發(fā)送的一些控制命令，從機不支持；

主機接收從機數據時(shí)，主機產(chǎn)生非應答信號，通知從機數據傳輸結束，不要再發(fā)數據了；

5 數據位

I2C數據總線(xiàn)傳輸要保證在SCL為高電平時(shí)，SDA數據穩定，所以SDA上數據變化只能在SCL為低電平時(shí)

一次傳輸的數據總共有8位，由發(fā)送方設置，它需要將數據位傳輸到接收方。

發(fā)送之后會(huì )緊跟一個(gè)ACK / NACK位，如果接收器成功接收到數據，則從機發(fā)送ACK。否則，從機發(fā)送NACK。

數據可以重復發(fā)送多個(gè)，直到接收到停止位為止。

6 停止位

當主設備決定結束通訊時(shí)，需要發(fā)送結束信號，需要執行以下動(dòng)作：

先將SDA線(xiàn)從低電壓電平切換到高電壓電平；

再將SCL線(xiàn)從高電平拉到低電平；

總結，寫(xiě)寄存器的標準流程為：

1. Master發(fā)起START

2. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK

3. Slave發(fā)送ACK

4. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK

5. Slave發(fā)送ACK

6. Master發(fā)送data（8bit），即要寫(xiě)入寄存器中的數據，等待ACK

7. Slave發(fā)送ACK

8. 第6步和第7步可以重復多次，即順序寫(xiě)多個(gè)寄存器

9. Master發(fā)起STOP

讀寄存器的標準流程為：

1. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK

2. Slave發(fā)送ACK

3. Master發(fā)送reg addr（8bit），等待ACK

4. Slave發(fā)送ACK

5. Master發(fā)起START

6. Master發(fā)送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK

7. Slave發(fā)送ACK

8. Slave發(fā)送data（8bit），即寄存器里的值

9. Master發(fā)送ACK

10. 第8步和第9步可以重復多次，即順序讀多個(gè)寄存器

六、仲裁機制 ? ? ?

在多主的通信系統中?？偩€(xiàn)上有多個(gè)節點(diǎn)，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節點(diǎn)被別的節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)它們都可以作為主節點(diǎn)向其他的節點(diǎn)發(fā)送控制字節和傳送數據。

但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節點(diǎn)都向總線(xiàn)上發(fā)送啟動(dòng)信號并開(kāi)始傳送數據，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進(jìn)行仲裁的判決，這就是I2C總線(xiàn)上的仲裁。

I2C總線(xiàn)上的仲裁分兩部分：SCL線(xiàn)的同步和SDA線(xiàn)的仲裁。

1 SCL線(xiàn)的同步

SCL同步是由于總線(xiàn)具有線(xiàn) “與” 的邏輯功能（開(kāi)漏輸出），即只要有一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí)，總線(xiàn)上就表現為低電平。當所有的節點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí)，總線(xiàn)才能表現為高電平。正是由于線(xiàn)“與”邏輯功能的原理，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號時(shí)，在總線(xiàn)上表現的是統一的時(shí)鐘信號，這就是SCL的同步原理。

2 SDA線(xiàn)的仲裁

總線(xiàn)仲裁是為了解決多設備同時(shí)競爭中線(xiàn)控制權的問(wèn)題，通過(guò)一定的裸機來(lái)決定哪個(gè)設備能夠獲得最終的總線(xiàn)控制權。

SDA線(xiàn)的仲裁也是建立在總線(xiàn)具有線(xiàn)與邏輯功能的原理上的。節點(diǎn)在發(fā)送1位數據后，比較總線(xiàn)上所呈現的數據與自己發(fā)送的是否一致（類(lèi)似于CAN總線(xiàn)的回讀機制）。

是，繼續發(fā)送；

否則，退出競爭；

I2C總線(xiàn)的控制邏輯：低電平優(yōu)先

SDA線(xiàn)的仲裁可以保證I2C總線(xiàn)系統在多個(gè)主節點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線(xiàn)時(shí)通信正常進(jìn)行并且數據不丟失，總線(xiàn)系統通過(guò)仲裁只允許一個(gè)主節點(diǎn)可以繼續占據總線(xiàn)。

上圖過(guò)程分析：

第一個(gè)周期：所有設備發(fā)送1，做與運算后的結果為1，與自己發(fā)送的數據相同，繼續發(fā)送；

第二個(gè)周期：所有設備發(fā)送1，做與運算后的結果為1，與自己發(fā)送的數據相同，繼續發(fā)送；

第三個(gè)周期：所有設備發(fā)送0，做與運算后的結果為0，與自己發(fā)送的數據相同，繼續發(fā)送；

第四個(gè)周期：AB設備發(fā)送1，C設備發(fā)送0，做與運算后結果為0，與AB發(fā)送的數據不同，則AB退出競爭，節點(diǎn)C獲勝；

注：若AB兩個(gè)設備發(fā)送0，C設備發(fā)送1，這最后與運算結果為0，與AB數據格式相同，與C數據格式不同，則C退出，AB繼續發(fā)送，直至AB中有一個(gè)退出。

SDA仲裁和SCL時(shí)鐘同步處理過(guò)程沒(méi)有先后關(guān)系，而是同時(shí)進(jìn)行的。

七、I2C死鎖 ? ? ?

在實(shí)際使用過(guò)程中，I2C比較容易出現的一個(gè)問(wèn)題就是死鎖 ，死鎖在I2C中主要表現為：I2C死鎖時(shí)表現為SCL為高，SDA一直為低。

在I2C主設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作的過(guò)程中，主設備在開(kāi)始信號后控制SCL產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個(gè)時(shí)候，從設備輸出應答信號，將SDA信號拉為低電平。

如果這個(gè)時(shí)候主設備異常復位，SCL就會(huì )被釋放為高電平。此時(shí)，如果從設備沒(méi)有復位，就會(huì )繼續I2C的應答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖?，才?huì )結束應答信號。

而對于I2C主設備來(lái)說(shuō)，復位后檢測SCL和SDA信號，如果發(fā)現SDA信號為低電平，則會(huì )認為I2C總線(xiàn)被占用，會(huì )一直等待SCL和SDA信號變?yōu)楦唠娖健?/p>

這樣，I2C主設備等待從設備釋放SDA信號，而同時(shí)I2C從設備又在等待主設備將SCL信號拉低以釋放應答信號，兩者相互等待，I2C總線(xiàn)進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。

同樣，當I2C進(jìn)行讀操作，I2C從設備應答后輸出數據，如果在這個(gè)時(shí)刻I2C主設備異常復位而此時(shí)I2C從設備輸出的數據位正好為0，也會(huì )導致I2C總線(xiàn)進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

審核編輯：黃飛

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