我們都知道I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。

I2C總線簡介

I2C結(jié)合了SPI和UART的優(yōu)點(diǎn)。使用I2C，您可以將多個(gè)從設(shè)備連接到單個(gè)主設(shè)備上(如SPI)，并且可以讓多個(gè)主器件控制單個(gè)或多個(gè)從器件。當(dāng)您希望有多個(gè)微控制器記錄數(shù)據(jù)到單個(gè)存儲(chǔ)卡或?qū)⑽谋撅@示到單個(gè)LCD時(shí)，這非常有用。

與UART通信一樣，I2C僅使用兩條線在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)：

SDA(串行數(shù)據(jù)) - 主站和從站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。

SCL(串行時(shí)鐘) - 承載時(shí)鐘信號(hào)的線路。

I2C是一種串行通信協(xié)議，因此數(shù)據(jù)沿著單線(SDA線)逐位傳輸。

與SPI一樣，I2C是同步的，因此位輸出通過主機(jī)和從機(jī)之間共享的時(shí)鐘信號(hào)與位采樣同步。時(shí)鐘信號(hào)始終由主機(jī)控制。

I2C如何工作

使用I2C時(shí)，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成messages，messages則被分解為數(shù)據(jù)幀。每條messages都有一個(gè)地址幀，其中包含從站的二進(jìn)制地址，以及一個(gè)或多個(gè)包含正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。該消息還包括每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的啟動(dòng)和停止條件，讀/寫位和ACK / NACK位：

啟動(dòng)條件：在SCL線路從高電平切換到低電平之前，SDA線路從高電平切換到低電平。

停止條件：SCL線路從低電平切換到高電平后，SDA線路從低電平切換到高電平。

地址幀：每個(gè)從站唯一的7或10位序列，用于在主站想與之通信時(shí)識(shí)別從站。

讀/寫位：單個(gè)位，指定主器件是向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)(低電壓電平)還是從器件請(qǐng)求數(shù)據(jù)(高電壓電平)。

ACK / NACK位：消息中的每個(gè)幀后跟一個(gè)應(yīng)答/不應(yīng)答位。如果成功接收到地址幀或數(shù)據(jù)幀，則從接收設(shè)備向發(fā)送方返回ACK位。

地址

I2C沒有像SPI這樣的從選擇線，因此它需要另一種方法讓從器件知道數(shù)據(jù)正在發(fā)送給它，而不是另一個(gè)從器件。它通過地址來做到這一點(diǎn)。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一幀。

主設(shè)備將與其通信的從設(shè)備的地址發(fā)送給與其連接的每個(gè)從設(shè)備。然后，每個(gè)從設(shè)備將從主設(shè)備發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則將低電壓ACK位發(fā)送回主機(jī)。如果地址不匹配，則從器件不執(zhí)行任何操作，SDA線保持高電平。

讀/寫位

地址幀在末尾包括一個(gè)位，用于通知從設(shè)備，主設(shè)備是想要向其寫入數(shù)據(jù)還是從主設(shè)備接收數(shù)據(jù)。如果主設(shè)備想要向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，則讀/寫位是低電平。如果主設(shè)備向從設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)，則該位是高電平。

數(shù)據(jù)框架

在主設(shè)備檢測(cè)到來自從設(shè)備的ACK位之后，準(zhǔn)備好發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

數(shù)據(jù)幀始終為8位長，并以最高有效位先發(fā)送。緊接著每個(gè)數(shù)據(jù)幀的ACK / NACK位以驗(yàn)證幀已被成功接收。在發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀之前，主機(jī)或從機(jī)必須接收ACK位(取決于發(fā)送數(shù)據(jù)的人)。

在發(fā)送了所有數(shù)據(jù)幀之后，主設(shè)備可以向從設(shè)備發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是SCL線上從低電平到高電平轉(zhuǎn)換后，SDA線上從低電平變?yōu)楦唠娖?，SCL線保持高電平。

I2C數(shù)據(jù)傳輸步驟

1.主機(jī)向每一個(gè)連接的從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將SDA信號(hào)從高切換到低，之后在將SCL從高切換到低電平。

2.主設(shè)備向每個(gè)從設(shè)備發(fā)送它想要與之通信的從設(shè)備的7或10位地址，以及讀/寫位：

3.每個(gè)從設(shè)備將主設(shè)備發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，則從器件通過將SDA線拉低一位來返回ACK位。如果主設(shè)備的地址與從設(shè)備的地址不匹配，則從設(shè)備將SDA線保持為高電平。

4.主設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

5.在傳輸了每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，接收設(shè)備將另一個(gè)ACK位返回給發(fā)送方以確認(rèn)成功接收到該幀：

6.要停止數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)通過在將SDA切換為高電平之前切換SCL為高電平來向從機(jī)發(fā)送停止條件：

有多個(gè)從設(shè)備的單一主設(shè)備

由于I2C使用尋址，因此可以從單個(gè)主設(shè)備控制多個(gè)從設(shè)備。使用7位地址，可以使用128(27)個(gè)唯一地址。使用10位地址并不常見，但提供1,024(210)個(gè)唯一地址。要將多個(gè)從器件連接到單個(gè)主器件，請(qǐng)像這樣連接它們，使用4.7K歐姆上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc：

有多個(gè)從設(shè)備及多個(gè)主設(shè)備

多個(gè)主設(shè)備可以連接到單個(gè)從設(shè)備或多個(gè)從設(shè)備。當(dāng)兩個(gè)主設(shè)備嘗試通過SDA線同時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，同一系統(tǒng)中出現(xiàn)多個(gè)主設(shè)備的問題。為了解決這個(gè)問題，每個(gè)主設(shè)備需要在發(fā)送消息之前檢測(cè)SDA線路是低還是高。如果SDA線為低電平，則表示另一個(gè)主控制器已控制總線，主控制器應(yīng)等待發(fā)送消息。如果SDA線路很高，那么傳輸信息是安全的。要將多個(gè)主設(shè)備連接到多個(gè)從設(shè)備，請(qǐng)使用下圖，使用4.7K歐姆上拉電阻將SDA和SCL線路連接到Vcc：

I2C的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與其他協(xié)議相比，I2C聽起來很復(fù)雜，不容易在程序中實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、無應(yīng)答、“死等”等問題。但卻有很多優(yōu)點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)

只使用兩根電線

支持多個(gè)主服務(wù)器和多個(gè)從服務(wù)器

ACK / NACK位確認(rèn)每個(gè)幀都已成功傳輸

硬件沒有UART那么復(fù)雜

眾所周知且廣泛使用的協(xié)議

缺點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢

數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

實(shí)現(xiàn)比SPI更復(fù)雜的硬件