一、I2C總線定義

要搞清楚一種總線，就跟了解一件事情的來龍去脈一樣，首先要弄清楚由來。

I2C是Inter-Intergrated Circuit的簡稱，英文翻譯過來是：內(nèi)置集成電路。為什么I2C是內(nèi)置集成電路？I2C總線是由Philips公司在80年代初開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)用以連接低速的周邊設(shè)備而發(fā)展的，從這個字面上意思上來看，I2C是一種低速率的串行總線，為了解決低速設(shè)備接入高速設(shè)備而存在的。

I2C可以寫成I2C、IIC，I2C之所以被廣泛應(yīng)用，因為這種通信總線比較簡單，物理上只需要兩根線--串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線(SCL)，即可在連接于總線上的器件傳送信息。這里說明一點，I2C僅限于板級間走線，因為通信距離受到一些參數(shù)限制，比如總線的負載電容、總線上的電流等等。 既然是雙方或者多方通信，肯定會有發(fā)起的一方。我們將發(fā)起通信的這一方稱為主器件，主器件用來啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘，數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的作用下，去尋址從器件。此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)的傳輸方向。主機負責(zé)產(chǎn)生時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。

二、工作原理

下圖是I2C總線電路的結(jié)構(gòu)分析，虛框內(nèi)是IC內(nèi)的電路，虛框外是外部電路。

從上圖可以看出：I2C兩根線：一根串行時鐘線SCL、一根串行數(shù)據(jù)線SDA，且兩根線對應(yīng)到器件的兩個pin均是雙向的，也就是說主器件和從器件不是恒定不變的。

Pin腳的電路結(jié)構(gòu)為開漏輸出（開漏輸出的典型特點是需外接上拉電阻才能對外輸出高電平），所以需要通過上拉電阻接電源VCC，保證總線空閑時兩根線都是高電平，且能夠?qū)崿F(xiàn)高低電平的變化?？偩€在傳輸數(shù)據(jù)時，當(dāng)SCL電平為高時，SDA數(shù)據(jù)有效，且需要保持一定的時間；當(dāng)SCL為低電平時，SDA數(shù)據(jù)無效，允許變化。

I2C總線有主從之分，連接總線的外部器件也都是CMOS器件，輸出級也都是開漏電路，在總線上消耗的電流很小，這樣保證I2C總線不需要太大的電流驅(qū)動能力。但I2C總線上可擴展的器件數(shù)量主要是由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容，而線路中電容會影響總線傳輸速度，當(dāng)電容過大時，有可能造成傳輸錯誤。所以需要根據(jù)不同的負載電容去估算支持的最大從設(shè)備數(shù)量。I2C總線的電容負載能力為400pF（通過驅(qū)動擴展可達到4000pF），每一個器件的輸入都相當(dāng)于一個等效電容，由于I2C總線擴展器件的連接方式為并聯(lián)，因為I2C總線的等效電容等于每個器件的等效電容之和，等效電容存在會造成傳輸信號波形的畸變，在超出范圍時，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯。

由上圖可以看出，Rp是上拉電阻，CL就是該器件I2C接口的對GND電容，上拉電阻Rp計算方式：(VDDmax-UINLmax)/Rpmin< （2~4）mA（I/O口的灌電流）其中:VDDmax:電源電壓的最大值，UINLmax:I/O口上允許的低電平的最大值（CMOS電路結(jié)構(gòu)中UINL<=0.7V）

舉例：評估出一個最小的上拉電阻阻值

已知：電源電壓VDD=5V±%10，IO端口的驅(qū)動能力為3mA，UINmax=0.7V，則最小的上拉電阻計算如下：

(VDDmax-UINmax)/Rpmin<3mA 代入數(shù)據(jù)，得Rpmin=1.6k；

上拉電阻Rp的最大值計算

總線電容是線路連接和管腳的總電容，它決定了Rp的最大值

1）標準模式：每條總線線路的最大電容負載都為400pF,且Tr<300ns；

2）快速模式：每條總線線路的最大電容負載都為200pF,且Tr<300ns；

I2C的速率：

標準模式SM(Standard mode)：100kbit/s,

快速模式FM(Fast mode)：400kbit/s,

快速+模式（Fast mode Plus）：1Mbit/s

高速模式HS(High-speed mode):3.4Mbit/s

快速模式器件的輸入有抑制毛刺的功能，SDA和SCL輸入有施密特觸發(fā)器；

快速模式器件的輸入緩沖器對SDA和SCL信號的下降沿有斜率控制功能；

如果快速模式器件的電源電壓被關(guān)斷，SDA和SCL的I/O管腳必須懸空，不能阻塞總線；

評估I2C總線一個最大的上拉電阻阻值方法

I2C端口輸出高電平是通過Rp上拉到VDD實現(xiàn)，線上電平由低到高的變化，電源通過Rp對線上負載電容Cl充電，從低電平切換到高電平，是需要一定時間的，即上升時間，這個上升時間可以近似用充電時間常數(shù)RpCl表示，瑞昱100kbit/s速率應(yīng)用，信號上升時間小于300ns，假設(shè)線上的Cl為20pF,計算出對應(yīng)的Rp值為17k。（計算公式：Rpmax=tr/(0.8473Cb)），tr為上升時間，Cb為總線電容。最大的Rpmax是變化的，需要根據(jù)實際的Cb計算。

如果Rp*Cl充電時間常數(shù)過大，將是信號上升沿變化緩慢，達不到傳輸數(shù)據(jù)要求；如果Rp太小，則會增大端口的sink電流，在可能的情況下，Rp取值大要一些，以減少好點。

電路干擾：在I2C設(shè)備的電源入口處要加濾波電容，一般加10nF或100nF；SDA和SCL上如果有干擾，要做濾波處理，總線上串接幾十歐姆的電容，對地加幾十pF電容；

三、通信流程

I2C通信特征總的來說，主要是同步串行通信、非差分、低速率。

I2C的在數(shù)據(jù)傳輸過程中共有三種類型的信號：開始信號START,結(jié)束信號END,應(yīng)答信號ACK/NACK.

開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，表示開始通信；

停止信號：SCL為高電平時，SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑硎窘Y(jié)束通信；

應(yīng)答信號ACK（NACK）：在接收數(shù)據(jù)的IC在接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖（NACK是高電平脈沖，應(yīng)答信號一般是在第9個時鐘傳輸），表示已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。開始和結(jié)束信號都是由主機發(fā)車，應(yīng)答信號是由從機發(fā)出。

數(shù)據(jù)的有效性：當(dāng)開始傳輸數(shù)據(jù)時，I2C是在SCL為高電平時采樣，所以SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘SCL高電平周期內(nèi)保持穩(wěn)定的高電平或者低電平狀態(tài)，否則會導(dǎo)致通信失敗。同樣，只有在SCL線上的時鐘信號是低電平時,SDA線上的電平才能改變。

空閑狀態(tài)：SCL，SDA線上都是高電平。

ACK/NACK說明：

1.主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機無法接收或者無法識別解析數(shù)據(jù)時，會發(fā)送NACK;

2.從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機不想接收了，主機會發(fā)送NACK，這時從機釋放SDA總線，好讓主機接下來發(fā)送STOP信號。

發(fā)起通信的流程

首先主機會線拉低SDA總線，標志我要開始通信了，接下來主機會發(fā)送 7bit的地址+1bit的讀寫位 如果某個從設(shè)備地址和主機發(fā)的地址吻合，就會發(fā)出一個ACK信號，通信就此建立。之后的讀寫操作，要具體看從設(shè)備的通訊規(guī)范，比如讀一個寄存器可能要如下操作：

圖中，灰色表示主機發(fā)送，白色表示從機發(fā)送。主機之所以如此發(fā)送數(shù)據(jù)，是根據(jù)從機的通信手冊來的，并不是標準的I2C協(xié)議規(guī)定的，主機并不知道這些數(shù)據(jù)的意義，只有從機知道。

傳輸步驟

1.在SCL線為高電平時，主機通過將SDA線從高電平切換到低電平來啟動總線通信

2.主機想總線發(fā)送要與之通信的從機的7位或者10位地址，以及讀寫位。

3.每個從機將主機發(fā)送的地址與自己的地址進行比較，如果地址匹配，則從機將SDA線拉低一位，返回一個ACK位，如果主機的地址與從機的地址不匹配，則從機將SDA線拉高。

4.主機發(fā)送或接受數(shù)據(jù)幀：

5.傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，接收設(shè)備將另一個ACK位返回給發(fā)送方，以確認成功接收到該幀。

6.隨后主機將SCL切換為高電平，然后再將SDA切換為高電平，從而向從機發(fā)送停止條件。

以上是單個字節(jié)的傳輸步驟詳解，多字節(jié)的讀寫和頁寫，后面我們根據(jù)代碼再介紹。

四、I2C通信優(yōu)缺點

與其他通信協(xié)議相比，I2C聽起來很復(fù)雜，以下是其優(yōu)缺點的總結(jié)。

優(yōu)點

• 僅使用兩根線
• 支持多個主機和多個從機
• ACK/NACK位用于確認每個幀都已成功傳輸
• 硬件比UART更簡單

缺點

• 數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢
• 數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位