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公司開發的兩線時串行總線，用于SOC與外設的連接通訊，它只需要兩根線就能實現I2C的通訊，采用主從模式，主的一方可以讀寫數據，而從的一方只能等待被讀寫。從的一方沒有主動權。

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

SDA與SCL都外接了上拉電阻，所以當SDA空閑時刻輸出的永遠是高電平，它對外設也有一定要求，要求外設的輸出模式也是開漏輸出，因為這跟它本身的電路實現有關，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為每個設備提供了一個地址，可以通過這個地址找到不同的設備，來表明不同的設備，只有從設備收到是自己的地址時才響應。

因為連接在I2C上的可能有很多個設備，從設備需要設置自己的地址，主設備不用，因為主設備是不會被從設備讀寫的，主設備是負責讀寫其它設備的。

通訊時會有一個起始數據，這個數據是9個bit位，前7位是從設備地址，最后一位是方向（0/1(讀或寫)）

這也就表明從設備的地址不能超過7個bit

2. I2C組成原理

架構圖：

SMBA線用于SMBUS 的警告信號，I2C 通訊沒有使用，可以忽略

I2C內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，有的架構是沒有的）

3. I2C的特性

僅需兩根線

接口集成在PCB內部

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)

世界級標準，大多數開發板都支持

一對多，一根線接多跟外設，通過地址區分，節省排版空間

4. I2C的通訊模式

雙向傳輸總線：

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單向傳輸總線：

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這些模式是根據速率來決定的，也就是說我們將I2C通訊速率設置成與上面對應的速率那么就是處于這個模式當中，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，因為信號在經過上拉電阻時會有一個周期變化，這個周期變化區別于阻值。

設置方法：

我們需要根據當前的PCLK時鐘頻率來計算的，這和設置PWM占空比類似，都需要經過計算然后設置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，預分頻值是65MHZ，系數是1/2那么計算公式如下：

時鐘頻率=PCLK/((預分頻值+1))/分頻系數

PCLK我們得知是66，分頻值我們設置的是65，分頻系數是1/2也就是除于2

所以公式：66/(65+1)/2 =0.5

在將0.5轉化為HZ的單位：0.5*1000=500KHZ，這里還有一個公式，就是算HZ轉秒，赫茲的倒數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/當前微秒頻率2

500/2=250,所以TCNTB的值應該為250，當然你也可以這也算，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，就得出經過250次2微秒后就到達了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，表示產生一個起始條件

結束信號：SCL為高電平而SDA由低到高的跳變，表示產生一個 停止條件

應答信號：當發送完信號之后則拉低

總線在空閑狀態時，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，而結束信號和應答信號都可以視情況不要。

在起始條件產生后，總線處于忙狀態，由本次數據傳輸的主從設備獨占，其他I2C器件無法訪問總線；而在停止條件產生后，本次數據傳輸的主從設備 將釋放總線，總線再次處于空閑狀態

傳輸過程：

每次傳輸時的數據/地址以9位bit進行傳輸，前8位是數據，最后一位是應答位

傳輸時高位在前，低位在后

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

這個電平變化不是說一個時間點的變化，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

然后主設備會在SCL線上產生時鐘周期的脈沖信號，即發高電平，每產生一個脈沖信號都會從SDA線上發送一個數據出去，然后從設備檢測到脈沖信號了就從SDA線上去讀一個BIT位，在產生脈沖信號之后，SCL是處于低電平的，那么此時SDA電平會根據傳輸的數字信號進行翻轉（為了防止數據不穩定，要求在SCl處于低電平時SDA才允許改變電平值，SCL發送一次脈沖信號后會要求拉低電平）

首先最開始發送的是地址信息，每次有效位為8位，當主設備發送8位之后就不會在發了，且發送完八位以后會主動讓SDA線一直處于高電平（因為SDA線發送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備拉低，當從設備拉低以后那么主設備監聽到之后就會認為此次通訊是正確的

然后接下來就可以發送數據位了，與地址信息一樣，SCL產生脈沖之后SDA進行翻轉，從設備進行讀取，當發送完成之后就需要產生停止位，這個是由主設備完成的，會拉高SCL電平使其一直處于高電平，然后將SDA進行周期變化：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可以被其它設備占用

從設備是需要實時監聽SCL的電平變化，來完成對應的動作

以下是發送170（十六進制：0xAA; 二進制：1010 1010）到從設備的傳輸時序：

總結理解起始與結束信號就是：

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。

這其中還有重復起始條件，即不用停止符號，只需要發送一個重復起始條件后續可以發送任意字節的數據，當全部發送完成之后在發送停止條件

即在不釋放總線的情況下給從設備發送Sr信號，然后重復上一次的傳輸，這樣做的好處在于不會出現在傳輸期間被別的設備搶占的情況，因為每次傳輸結束都會有一定的空閑時間，如果這個時間周期被別的設備占用會出現一些數據不完整的情況，因為每次傳輸只能傳輸一個字節的有效數據位，每次通訊都要產生起始和結束信號，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

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數據寄存器一般是DR寄存器（數據緩存寄存器），這塊寄存器是等待內部程序將其讀走的

其中因為是高位到地位發送的，所以內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那么只能輸出高電平無法輸出低電平，那么數字邏輯信號時鐘是1，這樣結果是不對的，所以需要有一個拉低的過程才能保證傳輸的bit位是有效且正確的。

I2C內部有一個邏輯控制器，負責控制這一塊，當需要上拉時候會控制FET（場效應管，主要作用是控制半導體器件，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，產生低電平信號

拉低：

拉高：

S3C2400的物理層的拓撲結構（僅供參考）：

8. 一對多

I2C給每個從設備設置地址，然后通過發送地址位來選擇要操控哪個從設備。

在每個從設備連接后需要設置自己的地址，便于I2C主設備查找。

每個設備連接到I2C的SDA與SCL上，然后I2C主設備對這條線發送地址當從設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備的SCL與SDA連接到I2C的主設備上，也就是說將I2C主設備的SDA與SCL引出來，然后從設備接到這根線上去，然后發送數據時接在這跟線上的所有設備都能監聽到電平變化，就像socket的廣播模式一樣。

主設備是不需要設置自身地址的，因為不會有人找它，當然如果要與其它外設進行合作開發，可以設置一個自己的地址，并編寫監聽代碼讓自己做主或從

9. 開發流程

主機接收模式：

主機發送模式：

審核編輯：黃飛