I2C协议

Posted 韦东山

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了I2C协议相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

I2C协议

参考资料:

  • i2c_spec.pdf

1. 硬件连接

I2C在硬件上的接法如下所示,主控芯片引出两条线SCL,SDA线,在一条I2C总线上可以接很多I2C设备,我们还会放一个上拉电阻(放一个上拉电阻的原因以后我们再说)。

2. 传输数据类比

怎么通过I2C传输数据,我们需要把数据从主设备发送到从设备上去,也需要把数据从从设备传送到主设备上去,数据涉及到双向传输。

举个例子:

体育老师:可以把球发给学生,也可以把球从学生中接过来。

  • 发球:

    • 老师:开始了(start)
    • 老师:A!我要发球给你!(地址/方向)
    • 学生A:到!(回应)
    • 老师把球发出去(传输)
    • A收到球之后,应该告诉老师一声(回应)
    • 老师:结束(停止)
  • 接球:

    • 老师:开始了(start)
    • 老师:B!把球发给我!(地址/方向)
    • 学生B:到!
    • B把球发给老师(传输)
    • 老师收到球之后,给B说一声,表示收到球了(回应)
    • 老师:结束(停止)

我们就使用这个简单的例子,来解释一下IIC的传输协议:

  • 老师说开始了,表示开始信号(start)
  • 老师提醒某个学生要发球,表示发送地址和方向(address/read/write)
  • 老师发球/接球,表示数据的传输
  • 收到球要回应:回应信号(ACK)
  • 老师说结束,表示IIC传输结束§

3. IIC传输数据的格式

3.1 写操作

流程如下:

  • 主芯片要发出一个start信号
  • 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据),方向(读/写,0表示写,1表示读)
  • 从设备回应(用来确定这个设备是否存在),然后就可以传输数据
  • 主设备发送一个字节数据给从设备,并等待回应
  • 每传输一字节数据,接收方要有一个回应信号(确定数据是否接受完成),然后再传输下一个数据。
  • 数据发送完之后,主芯片就会发送一个停止信号。

下图:白色背景表示"主→从",灰色背景表示"从→主"

3.2 读操作

流程如下:

  • 主芯片要发出一个start信号

  • 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据),方向(读/写,0表示写,1表示读)

  • 从设备回应(用来确定这个设备是否存在),然后就可以传输数据

  • 从设备发送一个字节数据给主设备,并等待回应

  • 每传输一字节数据,接收方要有一个回应信号(确定数据是否接受完成),然后再传输下一个数据。

  • 数据发送完之后,主芯片就会发送一个停止信号。

下图:白色背景表示"主→从",灰色背景表示"从→主"

3.3 I2C信号

I2C协议中数据传输的单位是字节,也就是8位。但是要用到9个时钟:前面8个时钟用来传输8数据,第9个时钟用来传输回应信号。传输时,先传输最高位(MSB)。

  • 开始信号(S):SCL为高电平时,SDA山高电平向低电平跳变,开始传送数据。
  • 结束信号(P):SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
  • 响应信号(ACK):接收器在接收到8位数据后,在第9个时钟周期,拉低SDA
  • SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定,SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化

I2C协议信号如下:

3.4 协议细节

  • 如何在SDA上实现双向传输?
    主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备,也可以从SDA上读取数据,连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚(发送引脚/接受引脚)。

  • 主、从设备都可以通过SDA发送数据,肯定不能同时发送数据,怎么错开时间?
    在9个时钟里,
    前8个时钟由主设备发送数据的话,第9个时钟就由从设备发送数据;
    前8个时钟由从设备发送数据的话,第9个时钟就由主设备发送数据。

  • 双方设备中,某个设备发送数据时,另一方怎样才能不影响SDA上的数据?
    设备的SDA中有一个三极管,使用开极/开漏电路(三极管是开极,CMOS管是开漏,作用一样),如下图:

真值表如下:

从真值表和电路图我们可以知道:

  • 当某一个芯片不想影响SDA线时,那就不驱动这个三极管
  • 想让SDA输出高电平,双方都不驱动三极管(SDA通过上拉电阻变为高电平)
  • 想让SDA输出低电平,就驱动三极管

从下面的例子可以看看数据是怎么传的(实现双向传输)。
举例:主设备发送(8bit)给从设备

  • 前8个clk

    • 从设备不要影响SDA,从设备不驱动三极管
    • 主设备决定数据,主设备要发送1时不驱动三极管,要发送0时驱动三极管
  • 第9个clk,由从设备决定数据

    • 主设备不驱动三极管
    • 从设备决定数据,要发出回应信号的话,就驱动三极管让SDA变为0
    • 从这里也可以知道ACK信号是低电平

从上面的例子,就可以知道怎样在一条线上实现双向传输,这就是SDA上要使用上拉电阻的原因。

为何SCL也要使用上拉电阻?
在第9个时钟之后,如果有某一方需要更多的时间来处理数据,它可以一直驱动三极管把SCL拉低。
当SCL为低电平时候,大家都不应该使用IIC总线,只有当SCL从低电平变为高电平的时候,IIC总线才能被使用。
当它就绪后,就可以不再驱动三极管,这是上拉电阻把SCL变为高电平,其他设备就可以继续使用I2C总线了。

对于IIC协议它只能规定怎么传输数据,数据是什么含义由从设备决定。

以上是关于I2C协议的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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