I2C时序波形图

Posted 2022-02-04 bobuddy

对于嵌入式开发的朋友来说，I2C协议实在是再熟悉不过了，有太多的器件，采用的都是通过I2C来进行相应的设置。今天，我们就随便聊聊这个I2C协议。

I2C协议中最重要的一点是I2C地址。这个地址有7位和10位两种形式。7位能够表示127个地址，而在实际使用中基本上不会挂载如此多的设置，所以很多设备的地址都采用7位，所以本文接下来的说明都是基于此。

I2C还有一个很重要的概念，就是“主—从”。对于从设备来说，它是啥都不干的，更不会自动发送数据；而主设备，则是起到控制作用，一切都是从它开始。

除了GND以外，I2C有两根线，分别是SDA和SCL，所有的设备都是接到这两根线上。那么，这些设备如何知道数据是发送给它们呢？这就得依靠前面所说到的地址了。设备I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因为只能有127个地址，地址冲突是很常见的，所以一般设备都会有一个地址选择PIN，比如拉高时候为0x50，接地为0x60。如果无论拉高还是接地，都和别的芯片有冲突，那该怎么办呢？答案是：凉拌，没办法。遇到这种情况，只能换芯片了。

一、概要

I2C总线只需要两条线，一条SDA数据线，一条SCL时钟线；根据这两条线的高低电平、上升沿、下降沿就可以实现主机与I2C设备的通讯；其中有：

（1）I2C总线相关

传输开始条件：SCL处于高电平，SDA下降沿时；

传输接收条件：SCL处于高电平，SDA上升沿时；

传输数据：开始传输后，SCL处于高电平时，SDA的数据为所传输的数据；

回应：当传输完一个字节后，I2C设备需要回应一个ACK，这样主机才继续发送；因此回应信号是在传输完8bit后的下一个数据位（SDA值），当SDA为0表示有回应，为1表示没回应；

正常I2C总线的数据是：Start + I2C devece id + R/W + ACK + Data（first byte）+ ACK + ... + Data（n）+ ACK + Stop

（2）I2C设备相关

设备地址：有7位和10位两种，具体见I2C设备芯片的DataSheet，由于目前用到的是7位，因此下面主要针对7位讲述；在讲I2C设备地址是有可能有两种说法，主要是用8位表示还是用7为表示，比如对于我的OLED来说，当用8位表示时则为0x78地址，当用7位时则为0x3c（即0x78右移1为），在驱动中用0x78还是用0x3c要看具体平台的I2C总线驱动，我在AMLOGIC平台上用的是0x78，而在MV平台上用的是0x3c；

寄存器reg：一般的I2C设备芯片都有带reg，一般在传输正式的数据之前需要先传输reg地址，比如我的OLED来说，在传控制命令时需要先发送0x00的reg地址，在传输数据时需要发送0x40的reg地址；

二、调试及波形分析

一般当我们拿到一个I2C设备时，就必须涉及到驱动的编写，就比如对于OLED来说，就要用编写OLED驱动，这样我们才能控制它，对于OLED屏来说，第一步也是最重要的一步就是点亮它；当我们做完这一步，那后面剩下的就只是细节问题了；”万事开头难“，这句话真的不假，对于OLED来说，如何才能点亮，我们该怎么调试呢？当我们写完OLED驱动，但OLED屏还是不亮，可能问题会出现在哪？是硬件问题还是软件问题？；若为软件问题，那会是I2C总线驱动问题，还是我们I2C设备驱动有问题？那么我们该如何判断问题出现位置呢？这就需要我们对I2C总线上的数据进行分析；那么下面我将详细讲述如何获取和分析I2C总线上的数据；

（1）示波器

对于I2C总线的数据，我们要用到示波器，这样我们才能抓取到信号，而且必须同时采集SDA和SCL的数据；该如何抓取呢？我这边的方式是将示波器调成边下降沿触发模式（因为开始信号是SDA下降沿），并且设置成单次模式（这样抓取完一次就会stop，便于我们数据分析）；

（2）波形

我们来看I2C协议中的数据传输时序图：

 

 

SCL是时钟，SDA承载的是数据。当SDA从1变动到0，而SCL还是1时，表示开始数据传输。接下来的7位，就是设备的地址。紧接着的是读写标志，其为1时是读取，为0则是写。如果I2C总线上存在着和请求的地址相对应的设备，则从设备会发送一个ACK信号通知主设备，可以发送数据了。接到ACK信号后，主设备则发送一个8位的数据。当传输完毕之后，SCL保持为1，SDA从0变换到1时，标明传输结束。

从这个时序图中可以看到，SCL很重要，并且哪个时钟沿是干嘛的，都是确定好的。比如，前面7个必定是地址，第8个是读写标志，数据传输必须是8位，必须接个ACK信号等等。

前面的时序图并没有标明数据传输的方向，我们现在看看写操作的数据流向：

 

网格的是主设备发送的，白色格子是从设备发送的。从图示中可以看到，对于写操作，从设备都只是发送ACK进行确认而已。

而读操作的数据流向，就有所不同，如图：

这时候，从设备除了发送ACK以外，紧跟着的还有数据。

 

我们用示波器来查看波形图，以便于理解。

I2C 采用不归零码编码方式

将示波器的X和Y分别接到SDA和SCL，得到波形并分析如图: 

 

I2C的概念原理网上都有就不说了，这里只把我把两个开发板通过I2C通讯的调试经验记录分享一下。

I2C要求要有一个主设备，负责发起请求和控制时钟；其它为从设备，通过设备ID地址来识别并响应主设备请求。主从设备要轮流控制SDA。一开始我没搞明白这一点，直接加了写I2C数据代码，然后用示波器在SDA和SCL脚测量，却只能找到些凌乱的波形，没有预期的效果。后来把从设备接上，两边写好代码，互相有了响应，这才在示波器上看到波形。

这里我找了一个主设备往从设备写数据的例子，代码如下：

char buf[128];

int len;

strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");

len=strlen(buf);

//deviceid: 0x3c

write_i2c(0x3c, buf , len);

接收端的代码比较简单，就不贴了。

将示波器的X和Y分别接到SDA和SCL，得到波形并分析如图：

从图中可知时序如下：

1. 由主机发起，在SCL为高电平时，SDA由高到低切变，形成开始信号；
2. 接着是7位地址和一位读写标志，这里7位地址为0111100，即0x3c，正是我们代码中设置的地址ID；最后一位为0表示写操作；
3. 接着在下一个时钟，主机以高电平状态释放SDA，这时从机响应，将SDA拉低了；
4. 接着是两个8位数据00101110与响应，即0x2E，正是“.”号的ASCII码，符合预期输出；
5. 还有其它数据和最后的停止位，图中被截掉了。

从图中可知，纵向一格是200mV，则SDA和SCL的电平大概就是350mV；由于信号笔上设置了信号x10，因此实际电平应该大概是3.5V（理论上应该是3.3V）。横向一格是25us，10个时钟周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每个时钟周期是10us，可算出传输频率为1/10us=100,000/s，即100k bps。

另外，对于读从设备内容，基本流程是主设备先往从设备写一个命令，然后再输出读取命令，然后才由从设备发送数据。过程类似，不再具体分析了。

 

下图示例中，主机先向从机写了一个地址命令，然后重新开始并进入读取周期。

分析波形可检测出I2C通信工作是否正常，是否符合预期，对我们编程调试诊断有辅助作用。