I2C总线

基本操作

　　I2C总线上只具有SOL（时钟）和SDA（数据）2根信号线。如果是单纯的串行传输，一旦因为某种原因造成引脚的偏差，则可能会造成不能区分总线上传输的是数据还是地址信息的后果。解决上述问题的简单办法就是附加独立于总线的Reset（复位）信号，由主机控制该信号。因为I2C至少利用2根线进行所有的操作，因此在数据传输时，通常当SCL为低电平时，设置下一个数据；当SDA变化后，SCI为高电平，这可以解释为一连串操作的开始／结束。

　　1.  起始条件

　　始条件表示一系列操作的开始。图1表示起始条件以及随后数据传输的开始操作。在I2C总线的空闲状态下，SDA及SCL通过上拉电阻都为高电平。在这样的状态下，如果SCL仍保持高电平，而SDA变为低电平,则成为开始指令。

　　图1 I2C总线的起始条件

　　由于该状态并不出现于地址及数据的发送与接收过程中，因此，即使在途中发生异常，只要检测出该状态，初始化内部的状态机，就可以使其恢复。

　　2.  结束条件

　　在一系列操作的是结束条件。结束条件如图2所示。当SOL为高电平时，一旦SDA由低电平变化为高电平，即成为结束条件，主机与器件之间的通信将停止，器件恢复为空闲状态。进行写操作时的结束状态是开始进行EEPROM内部单元写操作的指示标志。

　　图2 I2C总线的结束条件

　　结束前所传输的数据是ACK／NoACK的状态位，如果是ACK，则该状态位为低电平。但如果发生某种错误时，则表示为NoACK的高电平。读操作时的字节是主机向器件返回NoˉACK信息，所以SDA为高电平。这样就不能形成结束条件所需要的SDA的上升沿，因此在结束之前需要加入哑元“0”数据位作为解决办法。

　　在最终数据的ACK NoACK之后，主机通过下述的流程，形成结束条件，如下所述：

　　①SCL变为低电平；

　　②SDA变为低电平；

　　③SOL变为高电平（发送哑元数据）；

　　④SDA变为高电平（结束条件）。

　　3.  数据传输

　　数据传输的流程如图3所示。除去开始与结束条件，在传输包含地址指定等数据时，能够使SDA发生变化的条件只能是在SOL为低电平时。因此，总线操作以如下的步骤进行：

　　①SCL变为低电平；

　　②为SDA设置数据（主机或者器件）；

　　③SCL变为高电平。

　　进行数据读操作时，主机在SOL恢复为高电平之前读取数据。

　　图3 I2C总线的数据传输

基本工作原理

　　在I2C总线的数据传输过程中，主控器和被孔器工作在两个相反的状态 并且在一次通信过程中一股不发生转换；

　　1. 主控器为发送器（主控发送器）时被控器为接收器（被控接收器）；

　　2. 主控器为接收器（主控炫收器）时被控器为发送器（被控发送器）。

　　图所下为一次完整的通信过程时序，在I2C总线上进行的每一次通信过程，都存在在如下规律：

　　图 一个完整通信过程的I2C总线信号时序

　　1.  由主控器主动发起，并且以发送启动信号S和停止信号P分别来掌管总线和释放总线。

　　2.  通信过程都是以启动信号S开始、以停止信号P结束。

　　3.  传送的数据字节数没有限制。

　　4.  主控器在启动信号后紧接着发送一个地址字节，其实包含7位被控器地址码和1位读／写控制位R／W。

　　5.  读／写控制位R／W（或称作方向位）用于通知被控器数据传送的方向，0表示这次通信是由主控器向被控器写数据，1表示这次通信是主控器从被控器读数据。

　　6.  每传送1个地址字节或数据字节共需要9个时钟脉冲， 其中第1～8个时钟脉冲对应的是由发送器向接收器发送的信息，笫9个脉冲对应的是由接收器句发送器反馈的一个应答位ACK。

　　7.  所有挂接到I2C总线上的被控器件都接收启动信号后的地址字节，并且把接收到的7位地址码与自己的地址进行比较，如果相符即为主控器寻址的被控器，在第9个时钟脉冲期间反馈应答信号。

　　8.  每个数据字节在传送时都是高位（MSB）在前。

读操作的流程

　　M24Cxx的读操作模式及其各种模式的操作流程如图1、图2所示。

　　1.  当前地址读

　　EEPROM内部具有保持当前地址的寄存器。读取当前地址的数据时，不需要指定地址。只要单纯给出读指令就可读出数据。读取完毕后，内部所保持的当前地址将自动进位。

　　图1 I2C存储器的读操作（1）

　　图2 I2C存储器的读操作（2）

　　数据读操作后的ACK／NoACK信号由主机返回，但必须返回NoACK信号。

　　2.  随机读

　　随机读是由主机指定任意的地址读取的。利用写指令设定地址，如果赋予读指令则可以读出当前地址。所以，与字节写操作时相同，在第1字节的数据后面给出地址。在这里，一旦发送出数据就成为写操作，在此设置开始条件，取消向写操作的迁移而发出读指令，将从事先设定的地址中读出数据。

　　此时，DEVSEL数据（前7位数据）必须设定与最初写指令所发送的相同的值。

　　3.  顺序读

　　在当前地址读操作之后，如果主机返田ACK信号，则为顺序读模式，器件将准备下一个地址的数据，主机取回该数据。一旦到达要读出的最终地址，主机将返回NoACK信号，通知器件这已是的数据。

　　4.  顺序随机读

　　当指定任意地址、希望由此连续读出数据时，可利用该模式。只要认为这是与对应于当前读的顺序读相同的模式即可。

　　顺序随机读模式与随机读同样进行读操作，接收到数据后如果是ACK应答，则器件将准各下一个地址的数据；如果是最终数据，则返回NoACK信号，结束数据的传输。

写操作的流程

　　在I2C总线上传输操作是以8位＋ACK／NoACK共计9位为单位进行的。发送是从位7（MSB）开始进行的，虽然一般的串口（PC机的COM端口等）是由位0（LSB）开始发送的，但I2C总线是相反的，这一点需要注意。接收8位数据或者指令的接收方在下一个时钟输出ACK／NoACK位，如果是低电平则表示ACK；如果是高电平则表示NoACK。

　　写操作包括字节写及页面写两种。字节写是只置换特定的1个地址；而页面写可置换汇总了16字节界限内的连续的地址范围（页）。各种写操作的流程图如图所示。

　　图 I2C存储器的字节写与页面写

　　1.  字节写

　　这是指定任意的地址（8位）写人数据的方式。

　　起始字节的DEVSEL按照前面描述的起始数据的格式，位7～4是“1010”的固定模式，位操作（“1”）还是写操作（“0”）。

　　如果存储器处于写保护状态（WC引脚为高电平等），则在接收地址之前一直返回ACK信号，对于之后传输的数据，则返回No-ACK信号。

　　数据发送完毕后，如果检测出来自主机的结束条件，则EEP－ROM内部开始进行写入操作。根据数据手册可查出完成写入操作所需要的时间。＋5V的产品需要5ms，其他的产品大约需要10ms左右的时间。

　　EEPROM内部的替换周期在进行过程中，即使发送下一个指令也将返回NoACK信号。因此，利用该NoACK信号就可判断内部的操作是否完成。

　　2.  页面写

　　页面写操作本身与字节写是相同的。由于在存取后地址自动进位，因而可以按序发送1页（16字节）以内的数据。实际上向存储器单元的写人操作，与字节写相同，都是在检测出结束条件后进行的，所以需要等待，直到操作结束，然后再进行下一个操作。

及其应用

　　I 2C总线起源与特点

　　I 2C(Inter-IntegratedCircuit)总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。12C总线产生于20世纪80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇；可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，以便有效进行管理。

　　12C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此VC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10kb／s的传输速率支持40个组件。12C总线的另一个优点是，他支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

　　12C总线的构成及信号类型

　　PC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，传送速率100kb／s。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有惟一的地址，在信息的传输过程中，12C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器)，又是发送器(或接收器)，这取决于他所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

　　VC总线在传送数据过程中共有3种类型信号，他们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号 SCL为高电平时，SDA由高电平向低电子跳变，开始传送数据。

　　结束信号 SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

　　应答信号 接收数据的IC在接收到8b数据后，向发送数据的IC发出特定的低电子脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出二个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，判断为受控单元出现故障。

　　目前有很多半导体集成电路上都集成了12C接口。带有12C接口的单片机有：Cygnal的C8051FOXX系列，Philips的SAA73XX与SAA78XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供12C接口。

　　3 总线基本操作

　　I2C规程运用主／从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件(通常为微控制器)控制，主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电子的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。如图1所示。

　　3．1 控制字节

　　在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高4位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义，E2PROM一般应为1010)，接着3位为片选，一位为读写位，当为1时为读操作，为。时为写操作。如图2所示。

　　3．2 写操作

　　写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序如图3所示。

　　3．3 读操作

　　读操作有3种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是一个读操作的第9个时钟周期不是"不关心"为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电子、然后发出停止条件。

　　4.I2C总线软件编写

　　一般I2C通用读写程序的编写主要包括以下几个模块：I2C总线的初始化子程序；延时子程序；起始、结束子

　　以上部分是I2C总线各个部分的软件编写。其中SDA，SCL口的定义留给用户，用户可以根据需要自行定义。

　　5 结 语

　　PC总线由于其简单的硬件结构，在智能控制、单芯片控制、LCD驱动器、远程I／O控制，特别是在日益流行的视听系统、多媒体系统、家庭影院得到了广泛应用，已经成为一种工业标准，相信随着数字化时代的到来，一定会有更美好的发展前景，一定会得到更好的应用.